《Materials Science and Engineering: A》：Achieving enhanced strength-ductility synergy by combining synergetic effects of multiscale gradient structures and bimodal grain structures in commercially pure titanium
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郭彦松|邓丽莎|田正|张玉东|张淑琴|徐顺|刘瑞|郭宝桥|伊万·A·巴塔耶夫|贾斌|陈鹏婉北京工业大学爆炸科学与安全防护国家重点实验室，北京，100081，中国摘要金属材料中的强度-延展性平衡仍然是材料科学中的一个关键挑战。然而，通过优化微观结构设计，可以激活多种强化和变形机制之
郭彦松|邓丽莎|田正|张玉东|张淑琴|徐顺|刘瑞|郭宝桥|伊万·A·巴塔耶夫|贾斌|陈鹏婉
北京工业大学爆炸科学与安全防护国家重点实验室，北京，100081，中国
摘要
金属材料中的强度-延展性平衡仍然是材料科学中的一个关键挑战。然而，通过优化微观结构设计，可以激活多种强化和变形机制之间的协同作用，从而改善机械性能。本研究提出了一种新策略，通过在商业纯钛（CP Ti）中引入整体多尺度梯度结构（GS）和局部双模态晶粒结构，来实现增强的强度-延展性协同效应。通过爆炸硬化处理在CP Ti中生成具有双模态晶粒结构的多尺度GS，然后在不同温度下进行退火处理。根据单轴拉伸试验结果，GS Ti的屈服强度达到460-609 MPa，比粗晶Ti高出43.75%-90.3%，而均匀伸长率范围为5.8%至12.2%，最大提高了13%。因此，具有双模态晶粒结构的GS Ti实现了增强的强度-延展性协同效应。建立了梯度结构与屈服强度之间的定量关联。GS Ti的强化机制如下：异质变形诱导的应力和晶粒细化是GS Ti屈服强度的主要强化因素；GS/双模态晶粒结构以及应变局域化效应共同促进了应变硬化，进一步提高了GS Ti的延展性。
引言
钛合金广泛应用于化学加工、石油化工、海洋建筑和生物医学领域[1]。在钛合金中，商业纯钛（CP Ti）表现出优异的延展性[2]。然而，粗晶CP Ti的硬度和强度相对较低，这限制了其广泛的工程应用[3]。在传统的均质合金中，强度-延展性平衡仍然存在[4]。同时提高CP Ti的强度和延展性仍然具有挑战性[5]。
最近的研究表明，异质结构为克服金属材料的强度-延展性平衡提供了一种有前景的方法[6]。代表性的系统包括异质层状[7]、梯度结构（GS）[8]、多模态[9]和谐波结构材料[10]。在这些异质结构中，GS材料研究最为广泛，其特征是从样品表面到内部的微观结构逐渐变化[[11], [12], [13]]。GS可以通过两种主要方法制备[14]：（1）“自上而下”的方法，如表面机械处理[15,16]和激光冲击强化[17]；（2）“自下而上”的方法，包括物理和化学沉积[11,18]、3D打印[19]以及磁控溅射。尽管这些方法应用广泛，但它们存在局限性。对于前者，板材和棒材材料可以通过处理生成GS而不改变其化学成分[15]。然而，GS层的厚度始终小于1毫米。对于后者，可以相对精确地控制GS层，但GS层与基体的界面结合较弱，制备的样品尺寸有限，相关成本也相对较高[14]。因此，制备具有较大厚度的梯度结构仍然是一个重大挑战。
爆炸硬化（EH）是一种利用冲击波改善材料机械性能的表面处理方法[3,20,21]。表S1总结了制备GS金属和合金的方法比较。EH方法在生成GS方面具有多个优势，包括高效率、低成本、较大的GS层厚度（可达毫米甚至厘米级别）以及适用于大型样品[22,23]。在梯度单元结构的高熵合金中，具有较大深度的GS表现出优异的机械性能[24]。因此，EH方法可用于改善CP Ti的整体机械性能。此外，通常使用热处理来控制GS[25,26]。例如，秦等人[26]报告称，经过表面机械磨损和随后的时效处理的高熵合金（HEA）在晶粒尺寸和沉淀物体积分数方面同时改善了强度和延展性。受此启发，结合EH和退火处理被认为可以生成和控制GS层，并进一步优化整体机械性能。
GS材料的优异机械性能主要源于异质变形诱导（HDI）强化[27]。异质性因素越多，HDI强化效果越显著，这可以激活多种强化/变形机制的协同效应[28]。在大多数关于GS材料的研究中，只产生并分析了一种类型的GS结构。多尺度GS材料显示出更高的HDI强化效果[26,29,30]。例如，Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2 HEA具有双梯度微观结构，比具有单一晶粒尺寸梯度的对应合金实现了更好的强度-延展性协同效应[26]。Hasan等人制备了具有孪晶分数和位错密度双梯度的CoCrFeNiMn HEA，在这种异质结构系统中同时增强了强度和延展性[15]。结合多种异质结构的多尺度异质结构也表现出极大的强度和延展性协同效应[[31], [32], [33]]。Ban等人通过协同的双模态晶粒结构、层次化孪晶和相干沉淀作用，实现了Ni合金的强度-延展性同时增强[4]。He等人开发了一种异质结构的FeMnCoCrNi HEA，整合了四种关键微观组分：（1）细小的α-马氏体条带，（2）位错密集的奥氏体，（3）再结晶的超细晶粒，以及（4）纳米级氮化物沉淀物[34]。这种氮掺杂合金的屈服强度达到了1310 MPa，是其未掺杂版本的5.2倍。因此，引入多种强化机制的协同效应是克服CP Ti强度-延展性平衡的一种有前景的策略。
在本研究中，我们提出了一种新策略，通过结合EH和退火，在CP Ti中引入多尺度GS和双模态晶粒结构来实现增强的强度-延展性协同效应。系统地研究了GS Ti样品的拉伸机械性能和微观结构特性。检查了变形后的微观结构以确定活跃的变形机制。量化了HDI应力，并分析了拉伸变形过程中的应变局域化。最后，讨论了GS Ti强度-延展性协同效应的增强机制。
章节片段
GS Ti样品的制备
西安西泰达材料科技有限公司提供了尺寸为100 × 100 × 10 mm3的CP Ti（2级）板材。材料处于退火状态。表1显示了CP Ti的化学成分。为了获得具有不同微观结构特征的GS Ti，这些板材在不同的温度下接受了EH和退火的组合处理。图1(a)展示了EH的示意图，而电子背散射衍射（EBSD）分析揭示了粗晶
显微硬度分布
图2显示了CG Ti和GS Ti样品沿深度方向的显微硬度变化。对于前者样品，显微硬度分布均匀，平均值为约1.78 GPa。对于后者样品，通过控制退火温度产生了沿深度方向对称分布的不同硬度梯度。EH处理后的表面硬度达到峰值（约3.3 GPa），梯度硬化层延伸约3毫米深度。
讨论
在第3.1节中，通过EH和退火处理获得了GS Ti的优异机械性能。GS Ti的强度和延展性得到了同时提升。这种改进归因于GS Ti不同区域之间的相互作用和协同效应。在本节中，详细讨论了GS Ti的强化机制和增强的应变硬化机制。
结论
本研究提出了一种新策略，通过引入整体多尺度梯度结构和局部双模态晶粒结构，并通过EH处理后进行退火，实现了CP Ti的强度-延展性协同效应的增强。表征了GS Ti的机械性能、微观结构及其拉伸测试后的微观结构演变。结论总结如下：
- (1)
在CP Ti中制备了具有双模态晶粒结构的多尺度梯度结构
CRediT作者贡献声明
郭彦松：撰写 – 原稿撰写、研究、资金获取、正式分析、数据管理。邓丽莎：数据管理。田正：正式分析、数据管理。张玉东：正式分析。张淑琴：正式分析。徐顺：撰写 – 审稿与编辑。刘瑞：数据管理。郭宝桥：软件、资源支持。伊万·A·巴塔耶夫：撰写 – 审稿与编辑。贾斌：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究。陈鹏婉：监督、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号12502415, 12072038）；中国博士后科学基金（项目编号2024M764154；北京工业大学爆炸科学与安全防护国家重点实验室（项目编号QNKT25-09）；IB感谢项目FSUN-2024-0005。
