编辑推荐：设计具有高强度和高塑性的合金仍然是一个难题。作者通过激活不同的转变机制控制非均匀析出相的微观组织来设计增强增塑的多相合金。文章以一种两相钛合金为例，首先进行了相场模拟，设计了包括常规形核生长机制和非常规旋点分解机制的热处理工艺，并利用晶体塑性有限元模型对计算得到的组织进行了评估。根据模拟结果，对Ti-10V-2Fe-3Al进行两步热处理，得到α+β双峰组织。进一步的力学试验表明，与单峰合金相比，合金的延性提高了约50%，强度提高了约10%。本研究为通过多尺度微观组织设计提高合金力学性能提供了一种通用的方法

高度非均匀的多晶微观结构（例如，微米级晶粒和纳米颗粒的混合物）或梯度微观组织已被证明具有强度和塑性的良好匹配。通过热加工已生产出具有高度非均匀沉淀微观组织的钛合金，显示出高强度和高延展性，但其成本高且复杂。合金化和热处理是通过改变微观组织来设计和优化钛合金力学性能的重要方法。最近，非均均晶粒组织和复合材料的性能优化设计理念已被用于调整Ti合金的微观组织。

来自西安交大和中科院金属所等单位的研究者通过结合相场模拟、晶体塑性有限元建模（CPFEM）和实验，基于β+α相的异质微观结构设计，提出了一种简单有效的钛合金力学性能改进方法。相关论文以题为“Heterogeneous precipitate microstructure in titanium alloys for simultaneous improvement of strength and ductility”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.02.025

图1 CPFEM计算了不同时效后Ti-V合金在室温下不同取向的真应变-真应力曲线(x = [101]， y =[1-2-1])，“+”表示张力，“-”表示压力。

两种不同显微组织沿不同取向真应变应力曲线(S-S)的CPFEM结果表明双重时效产生的非均匀微观结构的各取向都具有较高强度和稳定性，有利于同时提高强度和塑性。

图2不同热处理后材料Ti-1023样品的实验结果。

很明显，随着强度-塑性曲线向左上角移动，双重时效后的性能得到了优化，同时提高了强度和塑性。基于双重时效后具有非均匀微观结构的Ti1023力学性能在强度和塑性方面比先前报道的Ti55531取得了更好的匹配性。

图3TEM观察双重时效后不均匀析出相的微观组织和位错分布。

粗α析出相中的形变孪晶可能降低了α/β界面的应力集中，在α相和β相之间产生协调变形，提高塑性。据推测，细α和某些粗α变体有助于位错积累引起的强度增加，在某些粗α变体中则是形变孪晶α有利于协调变形和延迟裂纹的萌生，使其具有良好综合力学性能。

图4CPFEM研究Ti-V系均匀和非均匀组织在室温下沿[101]方向拉伸变形10%延伸率后的VonMises应力和真实应变

图5CPFEM研究了Ti-V系均匀和非均匀组织在[101]方向拉伸变形0.5%、5%和10%伸长率后的Von Mises应力和真实应变。

与由于交叉高应变带的连续性和位错运动的阻碍而导致的具有细α析出相均匀微观组织的过早断裂相比，这种低延展性在非均匀微观组织中不会发生，因为粗α析出相不仅破坏了交叉高应变带的连续性，而且还触发了孪生，在一定程度上缓解了应力不匹配。此外，具有应力分散的粗α析出相可以看做为大量细α析出相，避免了应力集中，但比细α沉淀物具有更多的位错缠结，从而提高了强度。

总而言之，这项工作提出了一种简单有效的方法，通过相场模拟，CPFEM和实验来解决Ti合金中实现强度-塑性协同增强的长期难题。为设计Ti1023材料中良好的综合力学性能而设计的双重时效，这项工作可以为具有更好综合性能的新型Ti合金的设计和开发提供方向。