《Nature 》子刊：全新加工硬化機制！鈦合金迎來“越挫越勇”的新時代

加工硬化，是金屬最古老也最關鍵的性能之一。早在冶煉技術尚未成型的時代，匠人們就已經(jīng)懂得：錘打銅鐵可以讓其越挫越勇——金屬在反復敲打中變得更硬、更耐用。千百年來，這一現(xiàn)象成為金屬器物可靠使用的根基。

現(xiàn)代材料科學把這種能力稱為“加工硬化”。它不僅決定著金屬能否被加工成復雜零件，也決定著零件在服役過程中能否承受意外沖擊，避免“用一次就斷裂”?？梢哉f，加工硬化是工業(yè)的底座：沒有它，就沒有可靠的制造業(yè)。

TRIP與TWIP：改變產(chǎn)業(yè)版圖的兩次突破

在近代工業(yè)史上，加工硬化的兩次理論飛躍，直接改變了國家制造業(yè)的格局。

• TRIP效應（Transformation-Induced Plasticity的提出，使鋼鐵在塑性變形中能夠持續(xù)相變、不斷強化。20世紀90年代，日本汽車工業(yè)率先把TRIP鋼推向車身制造：車身更輕、更抗撞、更節(jié)能，幫助日本汽車工業(yè)在全球競爭中建立了領先優(yōu)勢。

• TWIP效應（Twinning-Induced Plasticity）則帶來了另一條路徑。通過引入變形孿生界動態(tài)細化晶粒使鋼材在承受巨大塑性變形時依然能維持極高的硬化速率。韓國造船和重工業(yè)將TWIP鋼投入到海工、船舶和重載設備制造中，彌補了長期的材料短板，并迅速在國際市場實現(xiàn)突破。

從TRIP到TWIP，可以看到一個清晰的規(guī)律：每一次加工硬化機理的突破，都能撬動一個國家制造業(yè)的升級換代。

鈦合金的困境：強，但“過剛易折”

鈦合金以高比強度和耐腐蝕性能著稱，被廣泛用于航空、能源和海洋裝備。然而，它長期面臨一個結構性難題：強度高，卻缺乏可持續(xù)硬化能力。在塑性變形過程中，鈦合金往往缺乏“越挫越勇”的特性，反而容易在高應力下脆斷。過去幾十年，研究者們嘗試把TRIP和TWIP機制引入鈦合金，希望解決這一難題。但結果始終不盡如人意：TRIP型鈦合金可以變硬，但初始強度往往不足600MPa；TWIP型鈦合金強度可達800MPa，卻加工硬化能力有限；嘗試融合TRIP+TWIP，也未能突破Ti-6Al-4V等主力合金(>900 MPa)的強度基準。因此，在鈦合金領域，加工硬化始終是個難以逾越的鴻溝。

Monash團隊的突破：全新加工硬化機理

近日發(fā)表于Nature Communications的一項研究，為鈦合金提供了一條不同于TRIP/TWIP的全新加工硬化路徑。該工作由Monash大學增材制造中心（MCAM）牽頭，黃愛軍教授、朱玉滿老師指導，彭繪之研究員為第一作者，并聯(lián)合澳大利亞、美國、中國與歐洲合作團隊完成。研究團隊采用激光選區(qū)熔化（LPBF）工藝，對商用Ti-6246合金進行增材制造，利用LPBF中的快速凝固、熱循環(huán)疊加和復雜應力場將材料推入一個常規(guī)工藝無法到達的微觀結構狀態(tài)：一個在TRIP/TWIP體系中被視為“死局”的起始組織。

全馬氏體化結構→無可轉化母相，傳統(tǒng)TRIP機制無法觸發(fā)。三取向納米孿晶亞結構 → 孿晶界間距僅約7–10 nm，孿生活化空間被壓縮至極限，TWIP機制同樣難以延續(xù)。在常規(guī)理論判斷中，這種結構對應的是“加工硬化終點態(tài)”——既無法繼續(xù)相變（TRIP），也沒有足夠孿晶空間（TWIP），更無法積累位錯，理應不具備進一步強化的條件。但關鍵突破，恰恰發(fā)生在這個被視為“無法再硬化”的組織起點上。

研究發(fā)現(xiàn)，該組織結構在拉伸過程中，表現(xiàn)出一種此前未被報道過的雙階段加工硬化過程：

①選擇性地退孿晶。三向孿晶中，僅與加載方向匹配的孿晶界得以保留并擴展，其余逐步消失。這一演化使組織轉變?yōu)檠乩旆较蚺帕械募{米孿晶層片，實現(xiàn)初始強化，并為后續(xù)硬化奠定結構基礎。

②納米孿晶的“硬化潛力”被激活。在取向單一化的納米孿晶層片內(nèi)部，大量堆垛層錯在后續(xù)拉伸過程中持續(xù)生成，并與納米孿晶界發(fā)生反應，形成穩(wěn)定的位錯鎖結構。這一過程不是TRIP，也不是TWIP，卻同樣帶來顯著的應變硬化效應。

性能跨越關鍵門檻。上述機制使得材料表現(xiàn)出長期缺失的性能組合：屈服強度超過900 MPa（滿足工程結構應用要求），峰值加工硬化速率達到10 GPa以上，換句話說，鈦合金終于可以 強且“越挫越勇”了。

產(chǎn)業(yè)意義：鈦合金的“通行證”

這項成果的意義不止于實驗室，而在于它為鈦合金打開了產(chǎn)業(yè)應用的全新前景。在航空航天領域，鈦合金結構件將能在承受長期疲勞與應力沖擊時保持強化，不再受制于“過剛易折”的短板。在海洋與能源裝備中，高強度與強硬化能力的結合，有望顯著延長服役壽命。在先進制造上，增材制造與新硬化機制的結合，讓設計自由度與性能雙雙提升，為復雜構件的直接制造奠定基礎。正如TRIP鋼成就了日本汽車，TWIP鋼支撐了韓國造船，這一突破也可能成為鈦合金走向更廣闊產(chǎn)業(yè)舞臺的轉折點。

結語

加工硬化的每一次機理突破，都會改變制造業(yè)的未來。在TRIP和TWIP之外，鈦合金的第三條加工硬化路線已經(jīng)被打開。它不僅是材料科學的新篇章，也可能是工業(yè)格局的新起點。

論文信息：
Achieving high strain hardening and strength in an additively manufactured titanium alloy
2025年11月20日發(fā)表于Nature Communications
第一作者：彭繪之博士（Monash University）
通訊作者：朱玉滿老師（Monash University），王云志教授（The Ohio State University），黃愛軍教授（Monash University）

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。