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本研究提出了一种高强钛合金强度-塑性协同提升策略，设计钛合金热轧短时固溶工艺，引入多形态初生α和β亚晶结构，并在后续时效过程中亚晶界介导形成多层级α析出相组织。这一方法有效地提升了钛合金的强度和形变协调性，获得的抗拉强度达到1581MPa，并匹配8.4%的延伸率，突破了析出强化损失材料塑性的传统范式。

研究背景

钛合金由于具有高比强度、优异的淬透性和硬化能力，是新型高强结构材料的理想选择。通常，从β母相中析出次生α相（α_s）产生析出强化是提高钛合金强度的主要手段。α_s析出相的形态、尺寸和体积分数可以通过热机械加工和热处理来调控，以提高钛合金的整体强度。然而，强度和塑性之间的倒置矛盾通常导致塑性随强度增加而下降。因此，克服这一矛盾对确保钛合金在高强度水平下的安全服役至关重要。

本文亮点

图文解析

图1基于“热轧+短时固溶+时效”工艺的微观结构演变

图2 RSST、RSST+A1和RSST+A4样品的室温拉伸性能：（a）工程应力-应变曲线。插图详细列出了拉伸数据；（b）（a）图对应的真应力-应变和加工硬化率曲线；（c）RSST和RSST+A1样品的均匀塑性应变和非均匀塑性应变直方图。

图3 拉伸前RSST样品在ND平面上的EBSD形态：（a）IPF图，显示沿RD方向的细长层状β-结构；（b）（a）图对应的IPF图，这里仅显示α相，包括标记的α_el和α_sp；（c）（b）图对应的KAM图；（d）IPF图叠加了HAGB（黑色）和LAGB（红色）。β_sub用白色箭头标记；（e）LAGBs的统计直方图；（f）β亚晶粒的直径分布统计直方图。

图4 拉伸前RSST+A1样品在ND面上的EBSD微观结构特征：（a）α和β相的IPF图；（b）相应的IPF图，仅显示α相；（c）（b）图对应的KAM图；（d）IPF图与GB图叠加，仅显示β相；（e）β相中LAGBs的统计直方图；（f）β亚晶粒的直径分布统计直方图。

图5 拉伸前RSST和RSST+A1样品中α_el的亚结构形态：（a）α_el晶粒的EBSD IPF图。线1（红色）和线2（蓝色）穿过多个α亚晶，插图显示了相关的局部取向差；（b）（a）图相应的KAM图。下部结构边界用虚线标记；（c）α_el的TEM BF图像，显示位错缠结；（d）另一TEM BF图像，显示了密集的位错缠结；（e）RSST+A1样品中α_el的IPF图；（f）（e）图对应的KAM图；（g）TEM BF图像，显示晶粒中心位错密度降低；（h）TEM BF图像，显示了α_el/β界面处的缠结位错。

图6 拉伸前RSST和RSST+A1样品中α_sp的微观结构形态和亚结构：（a）RSST工艺后α_p晶粒的再结晶图。变形α晶粒用红色标记，再结晶晶粒用蓝色标记；（b）α_sp的TEM BF图像。插图显示了沿[0001]_α晶带轴的SAED图谱；（c）沿[0001]_α轴拍摄的IFFT图像，α晶格特征由白点标示；（d）RSST+A1工艺后α_p晶粒的再结晶图。变形α晶粒用红色标记，再结晶晶粒用蓝色标记；（e）α_sp的TEM BF图像。插图显示了沿[0001]_α轴的SAED图谱；（f）沿[21—1—0]_α轴的IFFT图像，α晶格特征用白点突出显示。

图7 RSST和RSST+A1样品αel内部的α₂沉淀：（a）沿[2-1-10]_α轴拍摄的TEM BF图像。α_el/β界面用虚线标记。插图显示了相应的SAED，其中α母相（棕色）和α₂相（红色）；（b）（a）图中红圈标示的衍射斑对应的TEM DF图像；（c）HRTEM图像，包括α区域“R1”（红框）和α₂区域“R2”（蓝框）；（c1）“R1”区域对应的FFT图像；（c2）“R2”区域对应的FFT图像；（c3）IFFT图像，显示了α（红色）和α₂（蓝色）的晶格特征；（d）沿[0001]_α轴观察到的RSST+A1样品TEM BF图像。α_el/β界面用虚线标记；（e）（d）图对应的SAED图谱；（f）（e）图中所圈斑点相应的TEM DF图像，显示了α₂形态；（h）IFFT图像，显示α和α₂沉淀物的晶格特征。

图8 拉伸前RSST和RSST+A1样品中β基体的亚结构特征：（a）RSST样品叠加HAGB（黑色）和LAGB（红色）的KAM图；（b）沿[-113]_β轴拍摄的TEM BF图像。插图显示了相应的SAED图谱；（c）（b）图方框区域的放大图像，显示了构成β-SGBs的位错列；（c1）和（c2）分别在g=[110]和g= [-12-1]时位错列的TEM BF形貌；（d）RSST+A1样品的KAM图；（e）β晶内层级α_s的典型HAADF形态；（f）α_n/β界面的HRTEM晶格像；（f1）（f）图黄框区域的FFT；（f2）（f1）中所圈斑点的IFFT图像，显示了一维(110)_β晶格条纹。位错用“⊥”符号标记。

图9 RSST和RSST+A1样品中的β调幅分解结构及其元素分布特征：（a）TEM BF图像，显示了RSST样品中β调幅结构的形态及其晶体学特征；（b）（a）图相应的SAED图谱；（c）HAADF图像，显示调幅结构和相应的EDS面扫，包括Ti、Al、Mo、Cr、Fe元素；（d）RSST+A1样品的TEM BF图像；（e）（d）图放大的HAADF图像及其EDS面扫，包括Ti、Al、Mo、Cr、Fe元素。

图10 拉伸后RSST和RSST+A1样品的微观结构特征：（a）和（e）对应于示意图中的区域“1”，（b）和（f）对应于区域“2”，而（c）、（d）、（g）和（g）对应于区域“3”；（a）区域“1”中RSST样品整体形态的SEM图像，插图分别放大了顶部和底部β层的变形分布；（b）SEM图像，显示了区域“2”中β基体上细长的移迹线；（c）SEM图像显示了区域“3”中单个层状β结构中高度局部化的变形分布；（d）（c）图的放大SEM图像，显示了平面滑移带和由此产生的微裂纹；（e）区域“1”中RSST+A1样品的SEM图像；（f）SEM图像，显示了区域“1”中微观结构整体上的均匀滑移；（g）SEM图像，显示了区域“3”中的变形形态，未形成失控裂纹；（h）（g）的SEM局部放大图像。

图11 拉伸后RSST和RSST+A1样品的断口形貌：（a）和（c）SEM低倍断口形貌；（b）和（d）断口局部放大形貌。纤维区由虚线标出。

图12 不同应变下RSST+A1样品的TEM变形形态：经ε=3%应变后α_el（a）、α_GB和α_WGB（b）、α_n（c-d）的TEM BF图像；（d）是（c）图的放大图像；经ε=7.5%应变后α_el（e）、α_WGB（f）、α_GB（g）和α_n（g）的TEM BF图像。（h）中插图是相应的SAED图案。

图13 不同强化机制对RSST和RSST+A1样品屈服强度的贡献。计算所得的屈服强度与实验测量值大体一致。

图14 RSST和RSST+A1样品形变损伤过程的唯像模型

总结与展望

本研究通过设计亚晶介导的跨尺度、多层级α_s析出结构，突破了高强钛合金惯常的强度-塑性倒置矛盾。使得钛合金在析出状态下，大幅提高强度的同时保持了良好的延伸率，获得的塑性甚至高于相应的固溶态，打破了析出强化损失材料塑性的传统范式。该策略可拓展应用于其它金属材料体系，助力强塑性能的提升。

作者介绍

第一作者：邢宇杰，本科就读于西安交通大学，2021年进入硕士研究生阶段的学习，在陈威副教授的指导下从事钛合金研究，于2024年7月毕业。现工作于西北有色金属研究院生物材料研究所，研究方向为医用钛合金。

通讯作者：陈威，西安交通大学材料科学与工程学院副教授、博士研究生导师、中国材料研究学会钛合金分会理事、陕西省有色金属学会理事、曾任日本京都大学特定研究员。先后主持国家自然科学基金(4项)、国家重点基础研究发展计划(973计划)项目专题(1项)、陕西省自然科学基金(2项)、陕西省重点研发计划“揭榜挂帅”项目、西安市重点实验室基金、企校联合攻关项目等各级项目课题近50项。在 Nature Communications、Acta Materialia、Composites Part B、International Journal of Plasticity、Journal of Materials Science and Technology、Materials and Design、Metallurgical and Materials Transactions A、Materials Science and Engineering A、金属学报、中国有色金属学报、稀有金属材料与工程等国内外学术期刊上发表论文50余篇，获得国家发明专利授权近 10 项，获得2025年陕西省高校科技优秀成果一等奖1项。课题组隶属于孙军院士科研团队，以金属材料强度全国重点实验室为依托，长期致力于钛合金微观组织、力学性能、形变损伤断裂及强韧化的研究。探索钛合金在严酷环境下的微观组织演化、力学性能响应和形变损伤断裂行为。在材料微观组织设计、复杂相变表征、变形机理分析、高性能开发等方面具有较好的研究基础和丰富的经验积累。

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