他，刚回国就登上Science封面，现任北航教授！

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第一作者：Shiteng Zhao，Ruopeng Zhang

通讯作者：Shiteng Zhao，Andrew M. Minor

通讯单位：加州大学伯克利分校、北京航空航天大学

研究背景

在所有金属元素中，钛（Ti）具有最高的强度重量比，除了其优异的耐腐蚀性能，还成为各种重量和环境敏感的承重应用的理想材料。而纯Ti只具有中等的强度。硬化Ti的一种方法是将其与其他元素如氧（O）、铝（Al）和钒（V）形成合金。这些合金的强度虽然得到了提高，但几乎也都是以牺牲塑性为代价。强化金属结构的另一种途径是通过热机械加工调整晶粒尺寸。在这方面，过去二十年，人们见证了纳米孪晶金属的巨大发展。面心立方 (fcc) 金属的大量研究表明，孪晶可以在不牺牲抗断裂性的情况下大大提高强度。通过调整孪晶片的间距和取向，可以进一步优化其力学性能。此外，孪晶界也代表在高温下迁移率大大降低的低能晶界。这种特性使它们在热上比随机的高角度晶界更稳定。在这方面，纳米级孪晶是结构金属的最佳特征。然而，以一种成本效益高的方式将这些特性引入到材料中并非易事。传统上，这可以通过“自下而上”的方法来实现，如电沉积和溅射，或“自上而下”的方法，如严重的塑性变形。然而，目前几乎所有的方法虽然都成功地应用于fcc金属，，而应用于六方紧密堆积（hcp）金属则面临巨大挑战，并延伸到在不产生不利残余应力的情况下在大块样品中产生纳米孪晶结构的通用方法。

成果简介

有鉴于此，加州大学伯克利分校Andrew M. Minor和赵士腾（现为北京航空航天大学教授）报道了一种块体纳米结构方法，用于在六方密排、无溶质和粗晶Ti中产生多尺度、层次化的孪晶结构，从而大大提高了抗拉强度和延展性。极限抗拉强度接近2 GPa，在77 K时的实际破坏应变接近100%。此外，这种多尺度孪晶的热稳定性高达873 K，高于极端环境下许多应用的临界温度。这项研究提供了一种提高Ti机械性能的实用途径，而不需要外来的和通常昂贵的合金化元素。

要点1 Ti纳米孪晶的制备及层次化组织

研究发现，通过低温机械过程可诱导大量机械孪晶，进而在纯Ti（99.95%Ti和0.05%O）中制造出层次化的纳米孪晶结构。制造过程如下：

将长方体试样在液氮中沿三个主轴进行重复锻造（图1A）。每一步温和的单轴压缩用于控制孪晶的密度，同时保持材料的初始晶粒结构，这与挤压和轧制等其他各向异性加工方法形成鲜明对比。然后将低温机械变形材料在中等温度（673 K）下热处理（回火）1 h，这消除了不良残余应力，而没有触发额外的晶粒粗化。

利用电子背散射衍射（EBSD）图，研究人员揭示了多轴锻造Ti中复杂的多尺度孪晶结构。初始等轴晶粒结构仍然可见，但经过低温机械处理后，每个晶粒都含有大量的荚状孪晶。这些通过低温机械过程引入的变形特征在随后的热处理过程中被保留下来。研究人员在TEM图像中捕捉到了一组特征为{10-12}的纳米孪晶（图1C），并在高分辨率原子晶格图像（图1D）中突出显示孪晶界。此外，TEM 图像也显示了在 673 K 回火步骤之前和之后相同的纳米孪晶结构（图1 E ，F）。在673 K的TEM下保温1 h后，纳米孪晶结构保持不变，但由于残余应力-应变弛豫，孪晶内部的应变对比度减小。所测组织的多尺度结构统计尺寸分布（图1G）结果显示，其由几十到几百微米的随机分布的等轴晶粒组成的宏观矩阵，具有几十到几百纳米厚度的孪晶厚度的微尺度孪晶骨架，以及几十到几百纳米厚度的纳米尺度孪晶网络。

图1 低温机械制备的Ti纳米孪晶的层次化组织

要点2力学性能测试

独特的多尺度孪晶组织显著改善了其力学性能，研究人员通过室温（RT）和低温（77 K）下的单轴拉伸试验对其进行了力学性能进行了测试。在RT条件下，Ti纳米孪晶的拉伸强度为500 MPa，拉伸延伸率（应变到破坏）为70%。与粗晶Ti相比，这些值分别提高了~50%和~17%。在77 K时，Ti纳米孪晶的力学性能进一步提高，拉伸强度约为2 GPa，拉伸延伸率接近100%。Ti纳米孪晶具有优异的强度和延展性，优于许多钛合金，甚至某些低温钢。此外，应变硬化率与真实应变的曲线关系图（图2B）显示，Ti纳米孪晶具有比粗晶Ti更优异的力学性能。Ti纳米孪晶在RT有一个较长的应变硬化平台，随后在77 K应变硬化有相当大的回升。

显然，在塑性变形的不同阶段，具有明显连续激活的变形机制。这种演变提供了稳定、持续的硬化来源，增加了强度，但同时也有效地延缓了颈缩，从而提高了延展性。针对Ti纳米孪晶在低温下的变形机理，研究人员通过剪切模量(G)、G归一化的应变硬化速率θ/G（θ= dδ/dε）来表征不同塑性变形阶段的变形微观组织，作为77K时屈服应力归一化的流变应力的函数[Kocks- Mecking曲线]，并将其与相应的TEM图像相结合。在塑性变形开始时，当应力水平较低（ /阅读下一篇/ 返回网易首页 下载网易新闻客户端