《HUMAN RESOURCE MANAGEMENT REVIEW》：The effect of trace Fe on the mechanical properties and microstructure evolution of CP-Ti
编辑推荐：
本研究发现微量铁可显著细化钛晶粒，提升热稳定性，并通过固溶强化与加工硬化协同作用实现强度与延展性同步优化，机制涉及铁的多尺度晶界偏析及位错相互作用。
胡家俊|张东梅|刘晓环|王帅卓|刘毅|肖立荣|高波|尹东迪|周浩|赵永浩
南京工业大学材料科学与工程学院纳米与异质材料中心，南京，210094，中国
摘要
传统观点通常认为商业纯度钛（CP-Ti）中微量铁杂质的影响微乎其微。然而，本研究证明，即使在低浓度下，铁也在调节微观结构演变和机械性能方面起着关键作用。对三种合金体系——纯钛、Ti-0.3O和Ti-0.3O-0.2Fe——在相同条件下进行处理后的比较分析显示，微量铁的添加显著增强了塑性变形过程中的晶粒细化。经过相同的热机械处理后，Ti-0.3O-0.2Fe样品的纳米晶区域的平均晶粒尺寸细化至约33纳米。随后的退火进一步凸显了铁的独特作用：含铁样品表现出明显的再结晶行为抑制和再结晶激活能显著增加，这强调了铁对热稳定性的关键贡献。通过原子探针断层扫描技术阐明了其背后的机制，该技术揭示了铁在晶界和位错结构中的多尺度偏聚现象。这种偏聚效应强烈阻碍了晶界迁移和位错恢复，从而为热稳定性的提高提供了根本解释。虽然铁直接固溶强化的效果有限，但它显著提高了材料的加工硬化能力。在粗晶微观结构中，铁在晶界的偏聚会降低延展性；相反，在细晶微观结构中，加工硬化能力得到进一步提升，进而同时提高了强度和延展性。本研究阐明了微量铁如何调节CP-Ti的微观结构演变，从而为设计具有增强微观结构稳定性和优异机械性能的合金奠定了理论基础。
引言
商业纯度钛（CP-Ti）由于其优异的生物相容性、耐腐蚀性和低细胞毒性，被广泛用于正畸和骨科植入物等生物医学应用（Rack和Qazi，2006年；Geetha等人，2009年；Wang等人，2024年）。根据氧（O）含量，CP-Ti被分为1-4级（见表1（Lütjering和Williams，2007年））。氧作为间隙溶质，由于其较小的原子半径（O：约0.066纳米，Ti：约0.147纳米），占据α-Ti晶格中的八面体间隙位点（Kwasniak等人，2023年），并作为一种间隙强化元素，以牺牲延展性为代价提高强度。这种强度-延展性权衡源于氧对孪生行为的限制和位错滑移模式的改变（Yu等人，2015年；Chong等人，2021年；Huang等人，2026年），因此需要严格控制其含量。相比之下，铁（Fe）通常被认为是一种对机械性能影响可以忽略的杂质（Leyens等人，2003年；Williams，2010年），因此CP-Ti的成分规格对其含量的要求较为宽松。
值得注意的是，铁实际上是钛合金中最有效且经济的β相（体心立方结构）稳定元素之一，仅需约4 wt.%的铁含量即可在室温下保持β相（Lütjering和Williams，2007年）。尽管具有这种潜力，但在合金设计中很少有意使用铁，其含量通常限制在0.5 wt.%以下。这一限制源于铁在常规铸造过程中的强烈偏聚倾向。在高浓度下，铁会促进形成粗大且不均匀的β相区域（称为β-斑点）（Zhou等人，2023年），这会严重降低拉伸延展性和疲劳抗力（Zeng和Zhou，1999年）。近年来，由于材料制备方法的进步，铁对钛合金的影响重新受到了关注。例如，Liu等人使用激光粉末床熔融技术制备了Ti-1Fe双相合金，实现了超过1 GPa的拉伸强度，并保持了10%以上的延展性（Liu，2023年）。同样，Junko等人通过粉末冶金技术制备了具有优异机械性能的Ti-Fe二元合金，达到了1093 MPa的屈服强度和28～38%的高伸长率（Umeda等人，2021年）。强度的提高归因于铁对α相的细化和对β相的强化。这些先进的制备方法共同证明了抑制铁偏聚和β-斑点形成同时实现微观结构细化的可行性。更重要的是，它们揭示了铁能够同时细化α相并稳定/强化β相而不损失延展性的能力，凸显了其作为下一代钛合金战略性合金元素的重要潜力。尽管铁作为合金元素的潜力得到了认可，但微量铁作为CP-Ti中固有杂质的基本作用，特别是其对塑性变形机制的影响，仍然知之甚少。虽然以往的研究主要集中在将铁有意添加为双相合金中的β稳定剂，但系统研究微量铁如何影响单相α-Ti中的位错形核、滑移行为和晶界迁移还十分缺乏。阐明这些机制对于全面理解CP-Ti的微观结构-性能关系并充分发挥其性能潜力至关重要。
对于具有单相六方密排结构（α-Ti）的CP-Ti，铁作为替代溶质，由于其相似的原子半径（Fe：约0.124纳米，Ti：约0.147纳米），占据Ti晶格位点。然而，铁在α-Ti中的固溶度极低，即使在600°C时也只有0.047 wt.%（ASM International 1993）。因此，大多数铁原子被迫在内部界面（如晶界和位错）处沉淀或偏聚。Aksyonov等人的密度泛函理论计算表明，铁在α-Ti晶界的偏聚可以降低晶界能（Aksyonov和Lipnitskii，2017年）。从塑性的角度来看，这种偏聚可以根本改变位错与晶界之间的相互作用。最近的研究表明，溶质在晶界的偏聚显著影响局部应力浓度，从而影响位错形核和发射（Borovikov等人，2017年）。此外，选择性溶质在晶界的偏聚已被证明可以显著提高纳米材料的微观结构稳定性（Darling等人，2016年；Xing等人，2017年；Kishore等人，2023年）。例如，Lu等人通过Mo在晶界的偏聚实现了Ni–Mo合金中小至10纳米的晶粒尺寸（Hu等人，2017年），Xiao等人报告称，在镁合金中Ag的偏聚显著提高了晶粒细化效率（Xiao等人，2021年）。值得注意的是，α-Ti中的微量铁也表现出强烈的晶界偏聚倾向，表明其作为通过严重塑性变形（SPD）生产纳米晶纯钛的有效辅助元素的潜力。此外，CP-Ti的再结晶行为随化学成分的不同而显著变化，高等级（杂质含量较高）的合金显示出更高的再结晶温度（Wang等人，2022年）。已经提出了两种主要机制：（i）氧的偏聚降低了晶界能和移动性（Aksyonov等人，2016年；Chong等人，2023年）；（ii）铁的偏聚固定了晶界（Aksyonov和Lipnitskii，2017年）。然而，到目前为止，这两种机制在退火过程中的相对贡献尚不清楚，它们如何共同影响CP-Ti在施加应力下的塑性也尚未解决。因此，定量理解微量铁如何影响CP-Ti的强度-延展性协同作用对于其精确应用至关重要。这需要明确其在修改位错动力学和晶界移动性方面的双重作用。
为了解决上述科学问题，研究了三种不同成分的CP-Ti（纯钛、Ti-0.3O和Ti-0.3O-0.2Fe），以系统评估微量铁在热机械处理和退火过程中对微观结构演变和机械性能的作用。采用电子背散射衍射（EBSD）和TEM进行微观结构表征，重点揭示微量铁影响热稳定性和机械响应的潜在机制。结果表明，微量铁在塑性变形过程中积极促进晶粒细化，并显著增强了晶界稳定性，尽管变形后的微观结构由于多尺度铁偏聚而表现出明显的异质性。在完全再结晶的样品中，微量铁提高了加工硬化能力。随着晶粒尺寸的减小，这种加工硬化能力逐渐增强，最终实现了强度和延展性的同步提高。总体而言，本研究阐明了微量铁通过哪些机制控制关键微观特征（如晶粒细化和晶界稳定性），并相应调节了CP-Ti在变形和退火过程中的机械行为。这些发现填补了关于微量铁在α-Ti中作用的重大研究空白，并进一步建立了铁偏聚与微观结构异质性之间的关系。
材料制备
本研究选择了三种不同成分的CP-Ti作为研究对象，分别命名为纯钛、Ti-0.3O和Ti-0.3O-0.2Fe，根据它们的氧（O）和铁（Fe）含量进行命名。具体的化学成分见表2。为防止铁元素在晶界的偏聚，样品在950°C（β相区域）下进行1小时的溶液处理，然后进行多向锻造以消除缺陷并提高微观结构的均匀性，随后进行...
轧制样品的微观结构表征
图1显示了三种不同成分的CP-Ti在轧制变形后的微观结构。经过多向锻造和轧制处理后，CP-Ti的晶粒显著破碎并细化，形成了与轧制方向一致的拉长层状晶粒结构。为了定量表征晶粒尺寸，采用了类似于截距法的多点采样策略（Abrams，1971年）。
微量铁对微观结构演变的影响
与BCC和FCC结构材料相比，具有HCP结构的纯钛具有较低的晶体对称性和较少的滑移系，这些内在特性导致其晶粒细化效率相对较低（Xu等人，2025年；Ni等人，2025年）。尽管添加微量铁会导致异质结构的形成，但它显著细化了纯钛的晶粒尺寸。铁对晶粒细化的影响可以从...
结论
本研究系统研究了微量铁添加对商业纯钛在热机械处理和随后的退火过程中的微观结构演变和机械性能的影响。铁（Fe）和氧（O）的独特作用得到了明确区分，主要发现如下：
(1)微量铁的添加显著提高了纯钛在加工过程中的晶粒细化能力。在相同的变形路径下，纯钛和Ti-0.3O实现了...
CRediT作者贡献声明
胡家俊：撰写——初稿，研究，概念化。张东梅：撰写——初稿，研究，资金获取。刘晓环：方法学，软件。王帅卓：验证，方法学，正式分析。刘毅：软件，方法学。肖立荣：资源，方法学，正式分析。高波：资金获取，正式分析。尹东迪：软件，资源，项目管理。周浩：撰写——审阅与编辑，资源，方法学。
