由高角度晶界触发的多点位错发射增强了近α钛合金的强度-塑性协同效应

《Journal of Alloys and Compounds》：Multi-Point Dislocation Emission Triggered by High-Angle Grain Boundaries Enhances Strength-Plasticity Synergy in Near-α Titanium Alloys

TA18合金在冷轧过程中，随着变形量增加，强度和塑性呈现先升后降趋势。分子动力学模拟表明，高角晶界（HAGB）处的应力集中会触发多节点位错发射，促进晶界间协调变形，从而缓解HCP结构的塑性各向异性限制。

　　

吴东林|耿志华|杨泽辉|陈永南|王楠|赵勤阳|李阳|侯志民|康岩|朱丽霞

中国西安长安大学材料科学与工程学院，邮编710064

摘要

六方密排（HCP）结构固有的晶体各向异性限制了近α钛合金的均匀塑性变形。通过对TA18合金进行轧制变形研究，发现随着压降的增加，其强度和塑性得到提升，这与高角度晶界（HAGBs）处滑移活性的增强密切相关。这种增强促进了滑移在HAGBs间的非典型传递，改善了晶间应变协调性。分子动力学模拟揭示了一种原子级别的机制：HAGBs处的应力集中促进了新滑移的产生，而晶界节点则成为滑移的强发射源。这种多点发射机制显著促进了应变适应，为缓解HCP结构的塑性变形限制提供了关键途径。

引言

具有六方密排（HCP）结构的金属固有的晶体各向异性严重限制了多晶材料的均匀塑性变形能力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。作为近α钛合金的主要相，HCP结构的固有变形限制在高性能加工条件下带来了显著挑战[8]、[9]。旨在提高强度的加工技术往往会导致严重的加工硬化和潜在的微观损伤，从而降低塑性[10]、[11]、[12]。提高塑性需要增强晶粒间的变形协调性，而滑移传播机制在此过程中起着核心作用[13]、[14]。当晶界（GBs）处由于滑移积累而产生的局部应力集中达到临界值时，相邻晶粒中的激活滑移系统可以诱导相邻晶粒中的新滑移系统[15]。这一过程称为滑移传递，有效缓解了晶粒间的局部变形不匹配，为提高材料塑性提供了关键微观机制。

近α钛合金的变形能力限制取决于HCP结构的滑移行为[16]、[17]。滑移系统主要包括棱柱形滑移、基面滑移、金字塔形滑移和金字塔形滑移[18]、[19]、[20]、[21]。滑移系统的激活由临界解析剪切应力（CRSS）和Schmidt因子（SF）的固有差异共同决定[22]。其中，棱柱形滑移在室温下最容易被激活，因为其CRSS最低[23]、[24]。相比之下，金字塔形和金字塔形滑移由于其极高的CRSS而难以启动[25]。值得注意的是，SF对外加载轴方向的晶粒取向非常敏感[26]、[27]。因此，像轧制这样的工艺引入的强烈织构会在材料内部引起晶体取向分布的显著不均匀性，从而导致滑移传递行为的显著变化[28]、[29]、[30]。虽然晶粒细化和梯度结构已被广泛研究作为提高多晶钛机械性能的方法[31]、[32]，但晶界特性在协调变形中的作用仍然复杂。现有的关于滑移传递的研究通常强调几何兼容性，认为高角度晶界（HAGBs）由于滑移系统对齐不良而通常成为滑移运动的强障碍[33]、[34]。在这些情况下，HAGBs主要作为滑移堆积和应力集中的场所，常常导致应变局部化或损伤 nucleation，而不是协调的塑性。值得注意的是，经典的解析3D模型已经证实了晶界是活跃的滑移源：Gutkin和Ovid'ko[35]发现晶界可以根据晶粒大小来引发各种滑移环以调节塑性变形；Bobylev等人[36]验证了在高应力下HAGBs会发射部分滑移半环，在原子尺度上形成宽堆垛错位；Mikaelyan和Sheinerman[37]进一步将这种框架扩展到复合系统，说明了通过次级滑移环实现的晶界介导的滑移传递。这些模型为我们的工作奠定了理论基础。

然而，这种几何障碍模型无法充分解释具有强织构和频繁HAGBs的轧制近α钛合金的强度-延展性协同效应。尽管分子动力学研究讨论了晶粒尺寸对滑移密度[32]或特定晶界障碍强度[38]的影响，但对HAGBs作为活跃滑移 nucleation场所的理解仍然有限。本研究超越了几何传递的概念，通过实验和分子动力学模拟证明了在织构化的TA18合金中，HAGBs能够实现非典型的滑移机制：HAGB节点处的应力集中触发了多点滑移发射。这一过程缓解了HCP结构的塑性各向异性，并提高了晶间应变协调性，将HAGBs从障碍转变为活跃的滑移源。

材料

实验中使用的材料是TA18钛合金。合金的化学成分如表1所示。初始材料为内径为55毫米的管材。然后通过冷轧获得了内径分别为45毫米、35毫米和20毫米的管材，分别称为D45、D35和D20。这三个样品的变形程度分别为39%、69%和94%。沿管材的切向为TD方向，法向为ND方向

不同压降下的强化贡献

为了揭示轧制对机械性能的影响，图2展示了室温下的拉伸试验结果。工程应力-应变曲线显示，样品的屈服强度（YS）从D45的620 MPa增加到D35的652 MPa，然后随着压降的增加降至D20的610 MPa。相应的伸长率分别为28.1%、29.2%和26.7%（图2(a, b)）。从图2(c-e)的断裂形态可以看出

结论

分析了不同压降下TA18合金的微观结构和机械性能。确定了强化效应的贡献，并分析了强度变化的原因。主要结论如下：

（1）随着压降的增加，TA18钛合金的屈服强度（YS）先增加后减少。晶粒细化增强了晶界强化作用，但过度变形会导致

未引用参考文献

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CRediT作者贡献声明

耿志华：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。杨泽辉：方法论，概念构思。陈永南：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。王楠：验证，研究。康岩：资金获取。朱丽霞：监督，研究。吴东林：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，概念构思。赵勤阳：监督，概念构思。李阳：撰写 – 审稿与编辑。侯志民：资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFB3710700）、国家自然科学基金（项目编号52371092和52271051）、陕西省技术创新引导专项“三改”项目（项目编号2024ZC-YYDP-109）、秦创原平台团队建设项目（项目编号2023QCY-KXJ-272和2024QCY-KXJ-107）以及国家自然科学基金青年基金（项目编号52501141）的支持。我们还要感谢