1. 简介

间隙氧元素会导致钛材料脆化，尤其在低温环境下，这使得钛及其合金制造过程中必须严格控制氧含量。

本研究提出了一种通过晶粒细化的结构策略来缓解该问题。与77K下极度脆性的粗晶钛相比，含氧0.3wt.%的钛在超细晶（UFG，晶粒尺寸~2.0μm）结构中实现了均匀延伸率提升一个数量级，同时保持了UFG结构固有的超高屈服强度。这种强度-延展性的协同效应源于两种机制的共同作用：晶界氧偏析的稀释提高了晶界结合能，以及位错活动的增强提升了应变硬化能力。

该策略不仅可拓展高强Ti-O合金在低温中的应用潜力，还可推广至其他因间隙固溶强化导致延展性损失的合金体系。

2. 文章亮点

1. 晶粒细化消除氧脆性
通过将钛的晶粒尺寸细化至超细晶（~2.0μm），使含氧0.3wt.%的钛在77K下均匀延伸率提升10倍（达14%），同时保持1250 MPa级超高强度，解决了传统粗晶钛的低温脆性问题。

2. 晶界氧偏析稀释机制
超细晶结构通过增加晶界总面积，稀释氧在晶界的偏析浓度（APT证实晶界氧浓度从2.0 at.%降至均匀分布），从而提升晶界结合能，抑制沿晶裂纹萌生。

3. 位错激活增强应变硬化
超细晶的高应力水平激活位错（TEM验证），与a位错交互形成缠结结构，替代粗晶中的平面滑移，实现均匀塑性变形和优异应变硬化能力。

3. 研究背景

间隙氧元素在六方密排（hcp）结构的纯钛中一直被视为”双刃剑”——虽然能显著提高强度，但也会严重损害延展性。

当氧含量仅超过0.3 wt.%时，钛在77K下会变得极度脆化。这种延展性的急剧下降伴随着断裂模式从穿晶韧断向沿晶脆断的转变。因此，氧间隙原子的强化潜力无法被充分利用，反而需要在钛制造过程中严格控制氧含量，导致成本高昂。更严重的是，Ti-O合金在77K下的灾难性断裂极大限制了其作为液氢/氦容器材料或火箭发动机结构材料的应用潜力，因为这些场景对低温延展性和韧性有严格要求。这种氧致脆化的机理主要归因于局部塑性变形（表现为平面滑移和{1124}孪生）和脆弱的晶界——两者都是高氧钛的固有变形特征。

本研究提出通过晶粒细化解决hcp钛这一困境的根本策略。在含氧0.3 wt.%的超细晶（UFG，平均晶粒尺寸D~2.0μm，接近UFG结构上限）钛中，我们成功实现了1250 MPa级超高强度与14%大延展性的协同（图1），避免了粗晶（CG，D≥50.0μm）钛典型的脆性断裂。

UFG钛消除氧脆的机制包含三方面：首先，通过大幅增加晶界总面积稀释氧的晶界偏析，从而提高晶界结合能；其次，UFG结构固有的高应力水平激活了位错，缓解了晶内局部塑性变形；最后，UFG结构中沿晶与穿晶微裂纹/孔洞的均衡比例延缓了断裂。该策略可推广至其他因间隙固溶强化导致延展性损失的合金体系。

4. 图文解析

5. 文章结论

综上所述，我们提出了一种通过晶粒细化解决钛中长期存在的氧脆问题的简单且经济高效的策略，即使在77 K下也不会牺牲其延展性。从根本上说，超细晶微观结构中超高拉伸强度和大延展性的协同效应是通过减少有害的晶界氧偏析和促进晶内位错活动的共同作用实现的。这一策略也可应用于其他因间隙固溶强化导致延展性损失的合金体系。

此外，鉴于氧偏析对晶界结合能和拉伸延展性的有害影响，可以提出一种针对Ti-O合金的晶界化学工程方法。通过在合金中掺杂其他比氧具有更强晶界偏析倾向的微量元素（如硼和钇），可以增强或进一步降低Ti-O合金的晶界结合能，从而改善或甚至恶化材料的拉伸延展性。然而，这需要针对每种特定掺杂元素进行进一步的实验和建模工作。

全文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36030-0