JMST | 无位错β钛合金中的界面介导塑性协调：从晶界调控到剪切带局部化

导读

传统亚稳β钛合金依赖位错滑移强化，但因初始位错源匮乏，拉伸塑性往往严重受限，难以兼顾高强度与稳定塑性流动。长沙理工大学材料学院与北京科技大学、日本东北大学的研究人员近日在研究中揭示：通过调控固溶态β-21S合金的晶界密度，结合无晶界微柱压缩与晶体塑性模拟，发现晶界是协调塑性不相容的关键——晶界密度降低使拉伸未屈服即断，但压缩强度升高；无晶界时变形转为取向依赖的剪切带主导，表现为反复应力突降。该工作确立了从多晶中晶界调控塑性协调到无晶界域中剪切带辅助塑性的机制转变，为贫位错钛合金的强塑性设计提供了晶界工程新思路。

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图文解读

图1展示了固溶态β-21S合金的初始组织。S850、S950、S1050三种样品均为等轴β晶粒，随固溶温度从850升高到1050°C，平均晶粒尺寸从28增大到117 μm。初始GND密度整体很低（S950平均0.88×10¹³ m⁻²），仅在部分晶界附近局部偏高，说明材料初始位错源匮乏。基于此，实验设计了三类对比试样：富晶界多晶（S950）、贫晶界多晶（S1050）和无晶界微柱，用于系统研究从"晶界调控塑性"到"剪切带局部化"的机制转变。

图1. 固溶态β-21S合金初始组织。 (a,b) S850和S950样品的反极图；(c) 850、950、1050°C固溶后等效β晶粒尺寸分布；(d) S950样品基于b=0.5⟨111⟩的初始GND密度图；(e) 富晶界多晶体、贫晶界多晶体及无晶界微柱试样的对比测试方案。

图2显示压缩下三种晶粒尺寸（28–117 μm）均连续塑性流动，屈服强度1084–1178 MPa且随晶粒增大基本不变。拉伸则相反：S950（62 μm）延伸率23.9%，而S1050（117 μm）未屈服即脆断（0.71%）。稳定拉伸需横截面≥1.2×10³晶粒且d<62 μm（GB密度>0.026 μm⁻¹），低于此阈值则剪切局部化主导断裂。断口证实S950为韧窝、S1050为解理+沿晶。

图2. 固溶态β-21S的力学响应及典型拉伸断口形貌。 (a1) 压缩工程应力-应变曲线及对应0.2%屈服强度；(a2) 压缩真应力-应变曲线；(b1–b2) 标距尺寸为(b1) 16×8 mm和(b2) 10×2.5 mm试样的拉伸工程应力-应变曲线；(c,d) 标距16×8 mm的S950和S1050样品的典型拉伸断口形貌。

图3在β晶粒内加工了加载轴近[001]、[011]、[111]的无晶界单晶微柱。三种取向均呈现初始线性加载响应，随后进入伴随多次应力突降的不连续塑性流动，屈服强度分别为1147、922和1341 MPa，其中[011]最低、[111]最高。压缩后形貌显示各取向分别形成2–4条主要剪切带，其数量、位置与应力-应变曲线上的突降次数及工程应变增量一一对应，证实每次显著应力突降均由一条新剪切带的形成与扩展所致。

图3. β单晶微柱的取向依赖压缩行为。 (a) 所选晶粒的反极图；(b) 加载轴近[001]、[011]、[111]的FIB加工微柱；(c) 代表性微柱几何形貌；(d1–f1) [001]、[011]、[111]取向微柱的工程应力-应变曲线；(d2–f2) 对应取向微柱压缩后的形貌。

图4对[011]压缩微柱的TEM表征显示，第一条剪切带内无裂纹。SAED分析（[311]和[111]晶带轴）证实变形产生了应力诱导ω相析出，但无马氏体相变或孪晶。双束条件分析表明剪切带沿{112}晶面扩展。局部放大显示剪切带界面处刃位错塞积（高滑移阻力），而螺位错通过平面滑移和交滑移协调变形，共同促进塑性流动。

图4. [011]取向微柱压缩后的TEM表征。 (a) 第一条剪切带的明场像；(b,c) 沿[]和[] BCC晶带轴获得的SAED花样；(d–f) 在g011、g110和g211双束条件下剪切带周围的位错结构；(g–i) (d–f)中标注区域的放大图。

图5的TKD分析显示，无晶界微柱压缩后仍以β相为主，仅少量ω相未标定。反极图和GND密度图均呈现强烈非均匀分布，线轮廓证实在剪切带边界处GND密度与局部取向差同步升高，说明晶格旋转和位错累积集中发生于变形界面附近。

图5. 压缩后β微柱的TKD表征。 (a–d) [001]取向微柱及(e–h) [111]取向微柱；(a,e) 含大角度晶界相图；(b,f) 反极图；(c,g) GND密度图；(d,h) 沿(a)(e)中白线测得的GND密度与局部取向差分布。

图6的CPM模拟显示，无晶界微柱的剪切局部化程度随取向而异：[001]四系均匀激活，剪切分散（γ_max≈0.30）；[011]两系主导，出现倾斜局部化带（γ_max≈0.36）；[111]三系强烈激活，局部化最显著（γ_max≈0.46）。多系均衡激活促进应变分散，少数系优先则导致定向局部化。应力突降次数与剪切带数量的对应为空间统计关联，不反映严格时间顺序 。

图6. 微柱压缩中取向依赖剪切局部化的CPM分析。 (a) 微柱–基体–压头模型；(b) 主导滑移系位错密度增量；沿(c)[001]、(d)[011]和(e)[111]加载微柱的累积晶体学剪切应变(γ)。虚线标出主要局部化区域。

总结

通过宏观力学测试、微柱压缩、显微观察和CPM模拟，研究了固溶态β-21S合金塑性变形的界面调控机制。主要结论如下：