導讀：奈米結構金屬通常很堅固，因為內部邊界的超高密度限制了位錯的平均自由程。但由於加工硬化能力減弱，它們也更脆。本文展示了一種體奈米結構方法，該方法在無溶質和粗晶鈦 (Ti) 中產生多尺度、分層孿生結構，並顯著提高了拉伸強度和延展性。純鈦在 77 k下實現了接近 2 GPa的極限拉伸強度和接近 100% 的真失效應變，且多尺度孿晶結構的熱穩定性高達 873 K，高於極端環境中許多應用的臨界溫度。
鈦 (Ti) 在所有金屬元素中具有最高的強度重量比，除了出色的耐腐蝕性外，還使其成為各種對重量和環境敏感的承重應用的理想選擇 。然而，純鈦的強度適中。硬化 Ti 的一種方法是將其與其他元素（例如氧 (O)、鋁 (Al) 和釩 (V)）合金化，形成固溶體或第二相。這些合金的強度有所提高，但幾乎總是以犧牲延展性為代價。
強化結構金屬的另一種途徑是透過熱機械加工調整晶粒尺寸。具體而言，減少結晶粒徑為亞微米和奈米範圍導致了屈服強度大幅提高，而引入的某些型別的介面時，延展性得以儲存。在這方面，過去二十年見證了納米孿晶金屬的成功發展。對面心立方 (fcc) 金屬的大量研究表明，孿晶可以在不犧牲抗斷裂性的情況下大大提高強度 。這一觀察結果歸因於孿晶界的相干性質，它可以阻止和傳輸傳入的位錯，這取決於它們的特性，從而分別提供強度和延展性 。
具有梯度微觀結構的奈米孿晶銅由於具有額外的加工硬化能力而表現出更高的強度 ，而高度取向的奈米孿晶銅由於不同的位錯路徑而表現出增強的抗疲勞性 。奈米級孿晶代表結構金屬的最佳特徵。然而，以具有成本效益的方式將這些特徵設計成材料並非易事。傳統上，這可以透過“自下而上”的方法，例如電沉積 和濺射或嚴重的塑性變形 來實現。然而，幾乎所有這些方法都已在 fcc 金屬中成功實現，主要用於銅和鋼 ，而對六方密堆積 (hcp) 金屬一直具有挑戰性。這一挑戰擴充套件到在大塊樣品中建立奈米孿晶結構而不產生不利殘餘應力的通用方法。
在此，來自美國加州大學伯克利分校、北京航空航天大學等單位的研究人員，展示了一種塊體奈米結構方法，在六方封閉、無溶質、粗晶鈦(Ti)中產生多尺度分級孿晶結構顯著提高了抗拉強度和延展性。將低溫機械變形材料在中間溫度 (673 K) 下熱處理（回火）1 小時，這在不引發額外晶粒粗化的情況下釋放了不希望的殘餘應力。相關論文以題為“Cryoforged nanotwinned titanium with ultrahigh strength and ductility”發表在Science上。與此同時，這篇文章登上了同期《Science》的封面。
論文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe7252
奈米孿晶鈦與許多其他鈦合金的不同之處在於其低溫效能，具有吸引人的強度和延展性，甚至比高強度 Ti-6Al-4V 合金還要好。這表明奈米孿晶鈦是低溫應用的有力候選者。一些例子包括超導磁體的擋圈、液化天然氣儲罐的結構部件以及暴露於深海和深空環境的材料。從歷史上看，這些都是低溫鋼的應用，例如奧氏體 18Mn-5Cr和 32Mn-7Cr-0.6Mo-0.3N 合金和鐵素體 Fe-9Ni 合金。奈米攣晶 Ti 在強度和延展性方面都優於這些材料，密度僅為其一半。
圖1 低溫加工製備的奈米孿晶鈦的分層微觀結構。
（A）產生塊狀奈米孿晶鈦的低溫加工過程示意圖。（B）顯示奈米孿晶結構的方向圖。（C）奈米孿晶網路的 TEM 顯微照片。( D ) 原子解析度影象。（E和F）低溫加工過程後（E）奈米孿晶在室溫下的影象和（F）在 673 K 下原位 TEM 退火 1 小時後相同區域的影象，顯示孿晶結構的穩定性以及應變的弛豫來自其他內部缺陷的欄位。( G ) 用 TEM (藍色) 和 EBSD (綠色和黃色) 確定的分級微觀結構的統計尺寸分佈
圖2。分級奈米結構鈦的力學表徵。
( A ) 標稱應變速率為 10 -3 s –1 時的真實應力與真實應變曲線以及與其粗晶粒對應物的比較。( B ) 應變硬化率與真實應變的對應圖。( C ) 77 K 的塑性變形階段與由剪下模量歸一化的應變硬化率圖一起示意性顯示，θ/ G = ( d σ/ d ε)/ G，作為由屈服應力歸一化的流動應力的函式。歸一化應變硬化率與歸一化流變應力曲線清楚地表明存在多個塑性變形階段。（插圖）不同階段的特徵變形特徵。
圖3。奈米孿晶鈦的微觀結構演變。
（A到F）在高達 35% 工程應變的漸進應變水平下在感興趣區域中捕獲的方向圖（與影象質量重疊）。( G到L ) 相應的晶界錯點陣圖顯示了兩個特徵孿晶界的演變。( M ) 長度分數的演變，孿晶界以及總孿晶界的比例(A) 到 (L) 中僅顯示了一部分資料。
圖 4。奈米孿晶鈦的熱穩定性。
( A ) 原位 TEM 加熱實驗表明奈米孿晶網路（白色箭頭）在高達 600°C (873 K) 的溫度下是熱穩定的。( B和C ) 在 700°C (973 K) 以上，孿晶介面的對比度逐漸變弱。( D ) 在 850°C 左右，氧化物薄片開始出現在基體中。（E）作為溫度函式的奈米孿晶 Ti 的屈服強度以及與粗晶材料的比較。（F）EBSD IPF 對映和（H）所製造的奈米孿晶鈦的相應核平均取向差（KAM）對映。( G ) IPF 和 ( I) 在 400°C 下退火 48 小時的同一樣品（在相似的感興趣區域）的 KAM 圖。
由於在液氮溫度下大量孿晶而增強的加工硬化能力表明奈米孿晶 Ti 可能在更高的應變速率下顯示出高抗衝擊性 ，因為 hcp 金屬中的孿晶也可以透過減少變形時間尺度來促進. 奈米孿晶鈦還可能具有良好的輻射損傷耐受性，因為大量的奈米孿晶邊界為通道點缺陷提供了高密度的介面，從而防止了空隙的形成。此外，奈米孿晶鈦的熱穩定性使其適用於高達 873 K 的溫度，這與許多工業發電廠的應用相當，並且適用於燃氣渦輪發動機的較低溫度區域。此外，與具有相似機械效能的重合金化、非常昂貴的高熵合金相比，奈米孿晶 Ti 中不涉及合金元素。這使其成為一種“更簡單”的合金，具有經濟吸引力且易於回收。所有這些有利因素使奈米孿晶鈦不僅具有科學意義，而且是一種潛在的工業產品。
總之，本文介紹了一種直接有效的方法來生產熱穩定的塊狀奈米孿晶 Ti。這種材料的機械效能，特別是其強度和拉伸延展性，在從環境溫度到低溫溫度都有很大程度的提高。多尺度孿晶結構的引入有效地細分了原始晶粒並顯著改善了位錯的平均自由程。隨後，在多軸鍛造過程中產生的拉伸和壓縮孿晶可以繼續孿晶、解孿晶和再孿晶，從而提高加工硬化能力。因此，不均勻塑性流動被推遲。這種特性的組合表明，這種奈米孿晶鈦可以應用於廣泛的應用，尤其是那些涉及極端溫度的應用。
