华东理工大学团队揭秘：纳米层片钛合金如何实现超高疲劳稳定性？

2026-09-17 11:40:24 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

钛及其合金不仅能用在探索蓝天和星辰的航天航空领域，也能够以小型构件作为人体医用植入物使用。但无论是何种使用场景，在满足使用性能之后，人们便开始追求更长更稳定的服役寿命。传统的粗晶钛由于容易形成持久滑移带，加速裂纹萌生和扩展，尽管可以通过晶粒细化，引入更多晶界屏障来提升疲劳性能，但这些结构在长周期服役中往往面临严重的结构不稳定性问题。面对这一问题，

近日，华东理工大学团队通过超声表面滚压加工技术（USRP）在纯钛中构建了梯度纳米层片结构，相比传统等轴超细晶结构，这种纳米层片结构内的垂直小角度晶界通过高度可逆的位错滑移和吸收来容纳循环变形，而水平大角度晶界则基本保持不动，最终该结构具有更优越的疲劳性能和循环稳定性。目前这一成果以“Cyclic stability of nanolamellar titanium dictated by grain-boundary inclination and topology”为题，在线发表于材料领域的国际期刊《Acta Materialia》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122483

【核心内容】

团队通过USRP技术，成功制备了梯度纳米层片结构和梯度等轴超细晶结构（UFG），这两种结构具有相似的特征长度尺度和残余压应力分布，但纳米层片结构展现出了远超等轴超细晶结构的疲劳性能。

超声表面滚压加工（USRP）处理工艺及梯度纳米层状结构形成示意图

【研究成果】

① 梯度纳米层结构的结构稳定性

梯度纳米层片结构的最外层200μm区域由短纳米层片晶粒组成，大多数水平晶界为大角度晶界，而垂直晶界主要为小角度晶界，相比之下，UFG结构的外层则由等轴超细晶粒构成。经历疲劳循环之后，纳米层片区域，层片厚度仅小幅增加，整体框架基本完整，而UFG区域，平均晶粒尺寸从240nm急剧增大到1384nm。

USRP处理后梯度纳米层状结构与梯度等轴超细晶（UFG）样品的微观组织特征、晶界类型分布及残余应力与纳米硬度沿深度分布对比

USRP处理后梯度纳米层状结构与UFG样品的微观组织特征、晶界类型分布及残余应力与纳米硬度沿深度分布对比

② 原子模拟揭示的稳定化机制

纳米层状结构中，其晶界主要由垂直的小角度晶界（LAGB）和水平的大角度晶界（HAGB）构成。其中，LAGB由一系列晶界位错组成，其中约80%为可动的<a>型位错，在循环加载过程中，<a>位错依次滑入HAGB并被吸收，导致LAGB的湮灭。这些位错经历的是振荡运动而非直接迁移，这种可逆的位错滑移能够有效耗散循环变形的能量。

MD模拟揭示的纳米层状结构与等轴晶结构在循环加载下的变形机制对比

③ 小角度晶界倾角的决定性影响

小角度晶界的倾角对其循环稳定性起着重要作用，该研究设计了对称（φ=0°）、低倾角（φ=18°）和高倾角（φ=72°）三种类型的倾斜LAGB模型，其中φ=0°时，晶界由解离成对的部分<a>位错组成，这些位错在循环加载中表现出高度可逆的滑移；而φ=18°时，<c+a>位错的引入破坏了<a>位错的有序排列，导致部分<a>位错向水平大角度晶界滑移并被吸收；当φ=72°时以<c+a>位错为主，塑性变形能力极为有限。在同等高倾角比例下，含有更多对称小角度晶界的模型表现出更优的疲劳性能。

对称、低倾角和高倾角倾斜LAGB在循环加载下的位错结构与变形行为差异

不同组合（对称、低倾角、高倾角）垂直LAGB的层状模型在疲劳加载下的应力-应变响应、棘轮应变演化及微观结构演变

④ 晶界拓扑结构的关键作用

除了晶界倾角外，晶界拓扑结构同样影响纳米层片结构的疲劳稳定性。

全HAGB结构由于不同取向晶粒之间的塑性响应差异产生应变不相容性，大量塑性变形集中在软晶粒中，而硬晶粒几乎无位错活动，最终会触发再结晶作为局部的协调机制；
当HAGB垂直排列而LAGB水平排列时，高倾角水平的LAGB无法有效容纳塑性变形，在第9个循环就出现了严重的结构失稳；
全LAGB结构的模型则体现出了强烈的取向依赖性，0°取向模型（硬取向）主要经历弹性变形，而50°取向模型（软取向）则表现出均匀的位错滑移；
垂直LAGB+水平HAGB的模型展现出最优异的疲劳稳定性，在这种拓扑结构中，前四个循环产生一定的棘轮应变积累，随后塑性变形主要由已有晶界位错的可逆滑移主导，有效防止了局部应力和应变集中。