超细晶Ti-CP箔的力学行为与微观结构：厚度-晶粒尺寸效应与反常蠕变机制解析

本研究针对超薄钛箔（7 μm Ti-CP）在工业应用中因低强度、室温蠕变和尺寸效应导致的性能瓶颈，通过高温拉伸（25-300 °C）和蠕变测试（300 °C），结合原位XRD分析，揭示了厚度-晶粒尺寸比（t/D≈17）对力学性能的调控机制，并首次发现低应力下（≤185 MPa）的反常收缩现象，提出氧/氮原子占据六面体与挤列位点的创新解释，为超薄钛箔设计提供理论支撑。

　　

钛及其合金因其轻质高强、耐腐蚀等特性，在航空航天、医疗植入等领域应用广泛。然而，当钛以超薄箔（厚度仅7 μm）形式使用时，其力学行为与块体材料截然不同——强度不足、室温蠕变和成形困难成为制约其高端应用的瓶颈。传统研究多聚焦于块体钛的变形机制，而对超薄钛箔这种"尺寸效应主导"的特殊体系缺乏系统认知。意大利Il Sentiero国际校区的Riccardo Franci团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究，首次揭示了超细晶（400 nm）Ti-CP箔在热-力耦合作用下的反常行为。

研究采用冷轧退火（450 °C/1800 s）制备t/D≈17的箔材，通过高精度激光引伸计（分辨率0.03 μm）完成多温度拉伸测试，结合Mo-Kα辐射原位XRD（15-35° 2θ范围）追踪晶格演变。蠕变实验中特别设计钢衬底隔离装置，避免Pt加热器衍射峰干扰。

3.1 拉伸性能的尺寸效应

室温下屈服强度（YS）达444 MPa，远超块体Ti-Grade 1（170 MPa），但断后伸长率（AR%）仅5.6%。SEM显示断裂面存在300 nm厚"软晶粒"表层（易滑移）和脆性断裂芯部，符合"表层-芯部"复合模型（Eq.5）。高温下[200]织构强化导致纵向/横向AR%差异扩大至40%。

3.2 反常蠕变行为

在160-185 MPa低应力下，样品初始阶段呈现收缩应变（-0.03 μm），而208 MPa时恢复正常伸长。XRD证实此现象与氧原子占据非传统间隙位点相关：300 °C时c/a比降至1.576（室温1.596），计算表明每增加0.1 wt.%氧，a轴膨胀0.003 nm而c轴收缩0.005 nm（Eq.12-13）。

3.3 间隙原子占位机制

传统octahedral（八面体）位点理论无法解释c/a比降低。通过第一性原理计算数据推断，高温下氧原子进入hexahedral（六面体）和crowdion（挤列）位点，其形成能分别比octahedral位点高1.19 eV和1.88 eV。这种多占位模式在超薄样品中因晶界密度高（≈10¹⁵/m²）而显著。

4. 讨论与意义

该研究建立了超薄钛箔"尺寸-织构-间隙原子"协同作用模型：

1）t/D>10时表层晶粒主导塑性，导致强度-塑性倒置；

2）[200]织构使c轴平行拉伸方向，氧占crowdion位诱发c轴收缩；

3）临界应力185 MPa（≈0.67YS）为尺寸效应与外力竞争的阈值。

这项研究不仅为解释超薄金属箔的反常力学行为提供新视角，更指导了精密器件中钛箔的工艺设计——通过调控退火温度（控制织构）和气氛纯度（抑制间隙原子），可精准优化箔材的高温服役性能。特别值得注意的是，发现的crowdion位点占位机制，可能为理解其他hcp结构金属（如锆、镁）的低温蠕变提供普适性框架。