这期五彩斑斓的《Science》封面，来自北航团队的超强纳米孪晶钛

新智元报道

来源：Science

编辑：啸林

【新智元导读】北航教授团队发明了一种直接有效的方法来生产热稳定的块状纳米孪晶钛。这种材料的机械性能，特别是其强度和拉伸延展性，在从环境温度到低温温度都有很大程度的提高，并且非常经济，有望在工业中大规模使用。纳米孪晶钛五彩斑斓的的微观结构登上了这期《Science》的封面。

具有超高强度和出色延展性的先进结构材料对于包括航空航天，运输和能源行业在内的各种技术应用都是非常需要的。含高密度界面的纳米层合金由于其特殊的界面驱动性能，如极高的强度而备受关注。

不幸的是，这些材料通常受到严重的限制——缺乏拉伸延性，通常小于5%的延伸率，均匀变形区域甚至更有小。这使得它们难以制造，在承重应用中容易发生灾难性故障。材料的强延性权衡一直是材料学界关注的问题。

近年来，一些非均质纳米结构，如梯度结构、双峰结构、谐波结构和分层结构，已被证明具有提高纳米材料拉伸延性的潜力，从而改善强度-延性协同。然而，这些方法通常产生的材料强度有限(约为1 GPa)，因为微观结构异质性的产生需要一些粗尺度的微观结构，从而牺牲强度。

来自美国加州大学伯克利分校、北京航空航天大学等单位的研究者，搞出了一种直接有效的方法来生产热稳定的块状纳米孪晶钛。他们在六方封闭、无溶质、粗晶钛(Ti)中产生多尺度分级孪晶结构，这种材料的机械性能，特别是其强度和拉伸延展性，在从环境温度到低温温度都有了显著提高。

相关论文以题为《Cryoforged nanotwinned titanium with ultrahigh strength and ductility》发表在Science上。

与此同时，这篇文章七彩绚烂的显微照片登上了同期《Science》的封面。具有纳米线结构的纯钛的假彩色显微照片，其中每种颜色代表具有相同结晶学方向的区域。纳米线状结构是通过在液氮中进行的多步骤低温锻压工艺产生的，然后在400℃下进行退火。因此，加工后的材料表现出超高的强度和延展性，特别是在低温下。

纳米结构金属通常很坚固，因为内部边界的超高密度限制了位错的平均自由程。通常，由于加工硬化能力减弱，它们也更脆。具有镜像对称共格界面的纳米孪晶材料可以克服这种固有的权衡。我们展示了一种体纳米结构方法，该方法可在六边形密堆积、无溶质和粗粒钛中产生多尺度、分层孪晶结构，抗拉强度和延展性显着增强。纯钛在77开尔文 （25°C）下实现了接近2千兆帕的极限拉伸强度和接近 100% 的真实失效应变。多尺度孪晶结构的热稳定性高达873开尔文（600°C），这高于极端环境中许多应用的临界温度。我们的结果证明了一种在钛中实现有吸引力的机械性能的实用途径，而无需涉及外来且通常昂贵的合金元素。

下图展示了产生块状纳米孪晶 Ti 的低温机械过程：

多尺度孪晶结构的引入有效地细分了原始晶粒并显着改善了位错的平均自由程。随后，在多轴锻造过程中产生的拉伸和压缩孪晶可以继续孪晶、解孪晶和再孪晶，从而提高加工硬化能力。因此，不均匀塑性流动被推迟。

这种特性的组合表明，这种纳米孪晶钛可以应用于广泛的应用，尤其是那些涉及极端温度的应用。

下面的标定图显示了纳米孪晶结构的细节：

（E 和 F）低温机械过程后（E）纳米孪晶在室温下的图像和（F）在 673 K 下原位 TEM 退火 1 小时后相同区域的图像，显示孪晶结构的稳定性，也显示了其他内部缺陷的应变场的放松。

标称应变速率为0.001秒时的真实应力与真实应变曲线以及与其粗晶粒对应物的比较，可以看出纳米孪晶钛显示出比其粗晶对应物更好的机械性能。

在下面这张图，我们能看到在77K时塑性变形的阶段，同时还显示了以剪切模量归一化的应变-硬化率q/G=（ds/de）/G，作为以屈服应力归一化的流动应力的函数。

关于纳米钛在低温下的变形机制，我们通过绘制应变硬化率(q= ds/de)与剪切模量(G)的正态关系图，表征了塑性变形不同阶段的变形微结构。可以看到，在塑性形成之初，当应力水平较低时（<~750MPa），位错介导的塑性占主导地位。

制得纳米钛的EBSD IPF图谱，右图则是它在400°C下退火48小时的样子。

由于在液氮温度下大量孪晶而增强的加工硬化能力表明纳米孪晶钛可能在更高的应变速率下显示出高抗冲击性 ，因为 hcp 金属中的孪晶也可以通过减少变形时间尺度来促进. 纳米孪晶钛还可能具有良好的辐射损伤耐受性，因为大量的纳米孪晶边界为通道点缺陷提供了高密度的界面，从而防止了空隙的形成。

此外，纳米孪晶钛的热稳定性使其适用于高达 873 K 的温度，这与许多工业发电厂的应用相当，并且适用于燃气涡轮发动机的较低温度区域。此外，与具有相似机械性能的重合金化、非常昂贵的高熵合金相比，纳米孪晶 Ti 中不涉及合金元素。这使其成为一种“更简单”的合金，具有经济吸引力且易于回收。

所有这些有利因素使纳米孪晶钛不仅具有科学意义，而且是一种潜在的工业产品。

参考资料：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe7252

https://www.163.com/dy/article/GK9Q48C70536M4GO.html

https://www.sohu.com/a/437049885_120632630