双相Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-Si合金马氏体结构晶粒尺寸演变对临界分切应力的影响机制研究

针对钛合金强度-塑性平衡难题，日本学者通过对比(α+β)、(α+α′)和(α+α")双相结构，发现含马氏体的双相结构具有更优加工硬化能力。研究结合滑移迹分析和多尺度模拟，揭示了α"马氏体导致的反Hall-Petch效应及晶界滑移机制，为航空钛合金板材成形工艺提供理论支撑。

　　

钛合金因其优异的比强度和耐腐蚀性，一直是航空发动机等关键部件的首选材料。然而传统(α+β)双相钛合金存在强度与塑性难以兼顾的瓶颈问题，特别是板材成形过程中易出现各向异性。近年来，通过淬火工艺引入马氏体相(α′或α")的双相结构展现出突破性潜力——日本轻金属教育基金会资助的研究团队在《Mechanics of Materials》发表的研究，系统揭示了这种新型微观结构的强化机制。

研究团队选取具有热轧T型织构的Ti-6242S合金，创新性地对比了三种微观结构：等轴(α+β)、双相(α+α′)和双相(α+α")。通过沿轧向(0°)和横向(90°)的拉伸测试，结合滑移迹分析和多尺度晶体塑性模拟，首次发现含α"马氏体的双相结构在特定取向下呈现反常的"反Hall-Petch效应"。这种独特现象源于正交晶系α"相与热轧织构的协同作用：在90°拉伸时，基面滑移主导的变形机制从传统的位错运动转变为晶界滑移。

关键技术包括：(1) 850°C热轧制备1.3mm板材；(2) 差示扫描量热法确定相变温度；(3) 电子背散射衍射(EBSD)分析织构；(4) 扫描电镜滑移迹统计法测定CRSS比值；(5) 多尺度晶体塑性有限元模拟。

【Heat treatments】
通过精确控制固溶处理温度(950°C/1000°C)和冷却速率(水淬/空冷)，成功制备出三种特征结构。其中双相(α+α")结构的形成关键是将β相区加热后以10°C/s冷却至两相区保温。

【Microstructure analysis】
EBSD定量分析表明，双相结构中初生α相呈等轴状(晶粒尺寸5-20μm)，次生α"相呈现板条状。X射线衍射证实α"相为正交晶系结构，其(002)α"峰位明显区别于α相的(0002)峰。

【结论】
双相(α+α′)结构展现出卓越的强度-塑性平衡(延伸率18-22%)，其加工硬化率比(α+β)结构高35%。CRSS计算表明：在0°方向，相邻棱柱面晶粒间棱柱滑移的Hall-Petch常数仅为15 MPa·μm^1/2
，而基面滑移高达120 MPa·μm^1/2
。这种"软硬晶粒"的机械对比是强加工硬化的本质原因。特别值得注意的是，90°方向基面滑移呈现的反Hall-Petch行为(d^-0.3
依赖关系)，为设计各向异性板材提供了新思路。

该研究不仅建立了微观CRSS与宏观力学性能的定量关联，更通过揭示α"马氏体特异的变形机制，为发展新一代航空钛合金成形技术奠定了理论基础。特别是发现晶界滑移可替代传统位错运动成为主导机制，这一发现可能推动极端条件下钛合金设计范式的革新。