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强度还是延展性?Science封面:“小孩子才做选择,我全都要” 做选择是小孩子的事情

超高强度的金属材料在航空航天、交通运输和能源工业等应用领域有着巨大的需求,但大家都知道,纯金属材料往往并非最佳选择。以钛(Ti)为例,虽然它的强度重量比(strength-to-weight ratio)在金属元素中傲视群雄,而且还具有出色的耐腐蚀性,但强度却难以令人满意。提高强度的常见方法就是合金化,引入如氧、铝、钒等其它元素形成固溶体或第二相。钛合金的强度是提高了,但这却以牺牲延展性为代价。选择强度还是延展性?这类问题长时间困扰着金属材料的研究者们,尽管理想的解决方案肯定是“我全都要”,但很多时候也不得不二选一。

强化金属的另一种策略是通过热机械加工来调整晶粒尺寸,也就是将金属或合金的晶粒尺寸减小到亚微米和纳米尺度来增加强度,值得注意的是,当引入某些类型的界面时,材料的延展性可以得到保持。于是,过去二十年里纳米孪晶金属取得了相当耀眼的发展成果。对面心立方(face-centered cubic, fcc)金属的大量研究表明,孪晶化可以在不牺牲抗断裂性的情况下大大提高强度。这要归因于孪晶界(twin boundary)既可阻止又可继续传输传入位错的独特性质,从而分别带来高强度和高延展性。通过调整孪晶片层的间距和取向,还可进一步优化这些机械性能。此外,纳米孪晶金属材料在高温下也更加稳定。所有这些结果表明,纳米孪晶结构可称得上目前高性能金属材料的最佳选择。然而,纳米孪晶结构并不容易获得,传统上的策略有两种:“自下而上”,例如电沉积和溅射;或者“自上而下”,例如大塑性变形。尽管所有这些方法都已成功用于fcc金属中——主要是在铜和钢中,但用于密排六方(hexagonal close packed, hcp)金属——比如钛——的尝试却一直面临着不小的挑战。发展能在块体金属样品中构建纳米孪晶结构同时又不产生不利残余应力的通用方法,成了很多研究团队追逐的目标。

强化金属策略示意图。图片来源: Science [1]

近日, 加州大学伯克利分校赵士腾博士(现为北京航空航天大学教授)和 Andrew M. Minor教授等研究者做出重要突破,报道了一种 直接制备块体纳米孪晶钛的低温锻造方法,所得金属材料同时具有高强度和高延展性。在77 K时,纳米孪晶钛的极限抗拉强度接近2 GPa,拉伸延展性接近100%;其多尺度孪晶结构还可耐受高达873 K的高温。该论文发表在 Science 上,并被选为当期封面。

当期封面。图片来源: Science

氧元素会抑制孪晶形成,因此要选择氧含量极低的纯金属钛(99.95 wt.% Ti 及0.05 wt.% O)作为原料。纳米孪晶钛在低温下锻造完成,具体来说,块体纯钛样品在液氮中沿三个方向进行锻压,通过温和的单轴压缩诱导孪晶形成,同时保持晶粒的初始结构。经过多轴锻造,钛材料显示出复杂的多尺度孪晶结构,形成一个复杂的网络。微孪晶骨架尺寸在几微米,而纳米孪晶尺寸在几十到几百纳米。随后,在673 K下退火1小时,纳米孪晶结构被保留,并消除了不必要的残余应力。

纳米孪晶钛制备及形貌表征。图片来源: Science

独特的多级纳米孪晶结构显著改善了钛材料的机械性能。在室温下,纳米孪晶钛的拉伸强度为500 MPa,拉伸延展性约为70%,分别比粗晶钛提高了~50%和~17%。在低温下(77 K),纳米孪晶钛的机械性能更好,显示出约2 GPa的拉伸强度和几乎100%的拉伸延展性,性能不但远高于粗晶钛,更优于大多数商业钛合金。

多级纳米孪晶钛的机械性能表征。图片来源: Science

尽管早有文章报道,晶粒尺寸细化可以提高金属的强度和延展性,但研究者通过纳米钛微观结构演变和理论计算,证明了粗晶粒、孪晶骨架、纳米晶的多层次结构才是优化材料机械性能的根本原因。多级纳米孪晶网络导致位错密度提高,霍尔-佩奇效应增强,产生了更高的激活应力,同时增加了流动应力。

纳米钛微观结构演变。图片来源: Science

多级纳米孪晶结构可以在高温下(873 K)保持稳定,加热48小时没有明显的晶粒生长。这表明优异的机械性能具有较宽的工作温度范围,涵盖了钛合金大多数的传统应用场景。不过,材料在更高温度下稳定性能降低,发生Ostwald熟化,晶粒粗化导致晶面减少。

纳米孪晶钛的热稳定性。图片来源: Science

简评

这项关于纳米孪晶钛的研究不仅具有科学意义,更具有工业意义。低温锻造方法相对比较容易以较低成本实现,而且所得纳米孪晶钛材料强度和延展性俱佳,高温稳定性也让人满意,适用于传统钛合金的大多数应用场景,且不会产生因合金成分复杂而难以回收的问题。未来的研究方向应该是进一步优化加工工艺,降低成本,提高材料性能,以便尽早推广应用。

Cryoforged nanotwinned titanium with ultrahigh strength and ductility

Shiteng Zhao, Ruopeng Zhang, Qin Yu, Jon Ell, Robert O. Ritchie, Andrew M. Minor

Science, 2021, 373 , 1363-1368, DOI: 10.1126/science.abe7252

参考文献:

[1] K. Lu, L. Lu, S. Suresh, Strengthening Materials by Engineering Coherent Internal Boundaries at the Nanoscale. Science 2009, 324 , 349-352, DOI: 10.1126/science.1159610

(本文由 小希供稿)

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