《Acta Materialia》：屈从12GPa延伸率27%！异构显着进步纯钛低温力学功能

　　大多数金属资料在低温下都表现出强度和塑性之间的“倒置”对立，即强度越高，塑性越低。低温会进步资料的剪切模量和晶格冲突应力，添加位错滑移阻力，使得资料强度增高，但对塑性的影响却利害纷歧。一方面，低温能按捺位错的动态湮灭，然后增强应变硬化才能，进步塑性。另一方面，低温添加了位错滑移时的晶格冲突应力，导致流变应力添加，而降低了塑性。在均匀结构中，晶粒细化办法在低温下难以打破强度和塑性之间的倒置联系。现在，异构微结构（Heterostructure）规划在室温下现已完成了强度和塑性的同步进步，这是因为异构单元域之间的力学不相容性在变形进程中发生了部分应变梯度和很多的几许必需位错（generation of geometrically necessary dislocations，GNDs）所造成的。研讨者将此现状界说为异构变形诱导（hetero-deformation-induced, HDI）强化和硬化。这引出一个基础科学问题，异构战略能否处理传统金属资料在低温下的强度-塑性对立。详细地，低温下异构变形引起的应变硬化能否有效地抵消流变应力 的添加，然后推迟颈缩的发生？若能，温度对异构变形的详细影响是什么？

　　根据以上问题，四川大学黄崇湘教授团队与香港城市大学马晓龙教授等团队协作，选用热挤压-大变形量轧制-退火的工艺制备了一种再结晶型异构纯钛。该资料呈典型的蜂窝状结构，包括体积占比60%的超细晶（均匀晶粒尺度~0.58 μm）和40%的细晶（~1.88 μm）。为比较研讨，团队还一起制备了均匀结构的细晶（~1.94 μm）和超细晶（~0.62 μm）样品，并经过拉伸试验测试了三种样品在室温文低温下的力学功能。异构纯钛在低温下具有极高的强度（屈从强度~1200MPa）和优异的延伸率（均匀伸长率~17%，总延伸率27%），突破了传统均匀结构在低温执役条件下的强度-塑性匹配瓶颈。

　　系统研讨标明，异构钛具有优异才能低温力学功能的终究的原因在于：低温扩大了异构单元域之间的力学不相容性，并一起按捺了位错穿插滑移。首要，与室温环境比较，低温增强了Hall-Petch系数，增大了异构单元域之间的力学不相容性，然后强化了异构单元域在塑性变形进程中的应变配分效应。其次，低温按捺了位错穿插滑移，而有利于平面滑移和位错堆积，在不引起裂纹拓宽的前提下进一步扩大了HDI-应力的硬化效应。这一研讨成果不只有助于深化了解低温条件下异质结构资料的变形行为，还为规划高功能低温使用资料供给了新的思路。相关作业以题为 “Heterostructure enables anomalous improvement of cryogenic mechanical properties in titanium”的研讨性文章宣布在Acta Materialia。

　　图2. 均匀结构和异质结构钛的拉伸功能。(a)77 K 时的工程应力-应变曲线和(b) 真应力-应变曲线 K时的工程应力-应变曲线和(d)真应力-应变曲线。在(b)和(d)上钩算了相应曲线的加工硬化指数(n)。

　　图5. 纯钛资猜中与温度有关的Hall-Petch系数 。(a)77 K和 298 K时Hall-Petch系数的试验测量值。(b)Conrad等人对不同空隙元素和含量的钛的Hall-Petch系数随气温改动的曲线. (a)塑性变形进程中机械不相容性导致异质结构应变分区（）的示意图。(b)在两个变形温度下，因为机械不相容性的改动，应变分配的程度不同。

　　综上所述，本研讨提醒了异构纯钛优异的低温力学功能，其打破了均匀结构纯钛低温下的强度-塑性倒置联系。研讨标明，与室温比较，低温强化了HDI效应，使异构钛的低温力学功能得到极大进步。首要，低温增大了Hall-Petch系数，导致异构区域间的机械不相容性添加，因增强了塑性变形时不同晶粒间的应变配分效应，发生很多的GNDs。其次，低温按捺了穿插滑移而有利于平面滑移和位错塞积。这促进了GNDs的堆积，而且平面滑移使位错更有九天塞积在晶界上，然后诱发更高的HDI应力。本文提出的关于异构纯钛的低温强韧化战略可扩展到其它异构资料，为规划低温高功能结构资料供给了参阅。