大塑性变形制备钢/钛异质结构复合材料的微观结构与力学响应机制研究

《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE》：Microstructure and Mechanical Response of Steel/Ti Composites Processed by Severe Wire Drawing

为解决传统结构材料强度-塑性倒置难题，研究人员通过深度拉拔（DWD）技术制备微合金钢（BCC）/商业纯钛（HCP）多层复合材料，揭示晶格类型、界面错配和加工硬化历史的协同作用机制。研究发现钛层碎片化可增加界面接触面积，通过背应力（back stress）和异质变形诱导（HDI）强化显著提升材料综合性能，为异质结构材料设计提供新范式。

　　

随着航空航天、汽车和建筑等领域对结构材料性能要求的不断提升，传统单一材料体系已难以满足高强度与高塑性协同的需求。金属-金属复合材料因其可整合不同组分的优势特性而受到广泛关注，其中异质结构材料通过构建软硬区域交替的微观架构，能够突破强度-塑性的传统权衡关系。特别是具有层状或双模态结构的材料，通过异质变形诱导（HDI）强化和几何必需位错（GNDs）的积累，可实现前所未有的力学性能组合。

本研究聚焦于微合金钢（BCC结构）与商业纯钛（HCP结构）组成的多层复合材料。这两种材料在晶体结构、流变行为和微观结构演化方面存在显著差异，为研究异质界面相互作用提供了理想模型。通过校准轧制和多道次拉拔实现严重塑性变形（SPD），旨在同时实现基体微观结构的显著细化和增强层的碎片化，从而探索新型结构材料的性能极限。

研究人员采用两种微观结构不同的微合金钢（ Steel 1：铁素体-珠光体； Steel 2：贝氏体）与钛管/钛棒构建两种多层系统：钛管/钛管/钢芯（TTR）和钛管/钢芯（TR）配置。通过数值模拟和实验分析相结合的方法，系统研究了变形过程中应力应变分布、微观结构演变和力学性能的关联机制。

关键技术方法包括：1）通过校准轧制将组装系统从Φ15 mm减径至Φ6.5 mm；2）采用多道次拉拔（单位面积减缩率15%）将线材直径从Φ6.5 mm逐步减小至Φ0.3 mm；3）中间退火处理（700°C/20分钟/氩气氛围）以控制加工硬化状态；4）结合扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和硬度测试分析微观结构演化；5）通过准静态拉伸试验评估力学性能；6）采用数值模拟分析变形过程中的应力状态分布。

II. 实验结果与讨论

A. 直径减至1 mm的多层系统分析

当线材直径减至1 mm时，钛层仍保持连续性，但厚度已出现明显变化。TTR系统中钛管层呈现波状起伏的初始碎片化特征，而TR系统中界面更为平直。EBSD分析显示钢层通过连续再结晶已形成细晶结构，而钛层仍保持粗大拉长晶粒。力学测试表明，经退火处理的样品强度降低但塑性提高，TTR系统因含有贝氏体钢芯而表现出更高的应变硬化能力。断裂分析显示所有样品均呈现韧性断裂特征，但钛层表现出更明显的脆性断裂模式。

B. 直径减至0.3 mm的多层系统分析

在最终阶段（Φ0.3 mm），TTR系统表现出显著的钛层碎片化效应，形成纳米至微米尺度的钛颗粒分散在超细晶钢基体中。TR系统则保持较高的结构连续性。数值模拟表明，TTR系统中钛层同时受到外部钢管和内部钢芯的拉伸应力作用，而TR系统中钛芯主要承受压应力，这解释了碎片化效果的差异。硬度分布显示加工硬化状态样品具有更高硬度值，且TTR系统的应变硬化更为显著。

力学性能测试表明，单体钢样品因无钛层界面干扰而表现出最高力学性能。TTR和TR系统在加工硬化状态下性能相近，但退火后性能显著降低。背应力强化效应在异质界面处最为明显，通过增加位错钉扎点和界面接触面积，有效提升了材料的应变硬化能力。

IV. 研究结论与意义

本研究通过深度多级拉拔成功制备了钢-钛异质结构复合材料，并得出以下重要结论：

1. 1.
   系统配置显著影响碎片化效果：TTR系统因应力状态优势更易实现钛层碎片化，而TR系统因压应力主导延缓了连续性丧失
2. 2.
   微观结构演化受多重因素调控：晶体结构类型、晶界错配度、多层系统构造和加工硬化历史共同决定了微观结构演变过程
3. 3.
   强化机制协同作用：背应力（back stress）和异质变形诱导（HDI）强化与界面密度正相关，高位错密度的超细晶钢基体为理想矩阵材料
4. 4.
   力学性能优化途径：通过控制变形历史和中间退火工艺，可优化强度-塑性匹配关系

该研究的重要意义在于：

1. 1.
   为bcc/hcp异质结构系统提供了深入的理论和实践见解，填补了该领域研究空白
2. 2.
   开发的深度拉拔技术为制备高性能金属-金属复合材料提供了新途径
3. 3.
   揭示了界面碎片化作为额外强化源的作用机制，为异质结构材料设计提供了新思路
4. 4.
   研究成果在缆索、线材和其他结构部件领域具有广泛应用前景

本研究由波兰国家科学中心（项目编号：2022/45/B/ST8/01383）资助，已发表于《Metallurgical and Materials Transactions A》期刊，为开放获取文章（CC-BY 4.0许可）。