近日，我院黄崇湘教授团队与香港城市大学马晓龙教授团队合作在异构材料的低温力学行为及变形机理方面取得重要进展，相关研究成果以 “Heterostructure enables anomalous improvement of cryogenic mechanical properties in titanium”为题发表在材料领域国际顶级期刊Acta Materialia（IF=9.4，中科院一区）上。四川大学空天科学与工程学院为该研究的第一单位，黄崇湘教授和马晓龙教授为论文的共同通讯作者，2021级博士生苏武丽为论文第一作者。

大多数金属材料在低温下都表现出强度和塑性之间的“倒置”矛盾，即强度越高，塑性越低。低温会提升材料的剪切模量和晶格摩擦应力，增加位错滑移阻力，使得材料强度增高，但对塑性的影响却利弊不一。一方面，低温可以抑制位错的动态湮灭，从而增强应变硬化能力，提高塑性。另一方面，低温增加了位错滑移时的晶格摩擦应力，导致流变应力增加，而降低了塑性。在均匀结构中，晶粒细化措施在低温下难以打破强度和塑性之间的倒置关系。目前，异构微结构（Heterostructure）设计在室温下已经实现了强度和塑性的同步提升，这是由于异构单元域之间的力学不相容性在变形过程中产生了局部应变梯度和大量的几何必需位错所致。研究者将这种现象定义为异构变形诱导（hetero-deformation-induced, HDI）强化和硬化。这引出一个基础科学问题，异构策略能否解决传统金属材料在低温下的强度-塑性矛盾。具体地，低温下异构变形引起的应变硬化能否有效地抵消流变应力的增加，从而延缓颈缩的发生？如果可以，温度对异构变形的具体影响是什么？

基于上述问题，团队采用了热挤压-大变形量轧制-退火的工艺，制备了一种再结晶型异构纯钛。该材料呈典型的蜂窝状结构，包含体积占比60%的超细晶（平均晶粒尺寸~0.58 μm）和40%的细晶（~1.88 μm）。为比较研究，团队还同时制备了均匀结构的细晶（~1.94 μm）和超细晶（~0.62 μm）样品，并通过拉伸试验测试了三种样品在室温和低温下的力学性能。

图 1. 均匀结构和异构纯钛样品的微观结构。

实验结果表明，异构纯钛在低温下具有极高的强度（屈服强度~1200MPa）和优异的延伸率（均匀伸长率~17%），突破了传统均匀结构的强度-塑性匹配瓶颈。系统研究表明，异构钛具有优异低温力学性能的根本原因在于：低温放大了异构单元域之间的力学不相容性，并同时抑制了位错交叉滑移。首先，与室温环境相比，低温增强了Hall-Petch系数，增大了异构单元域之间的力学不相容性，从而强化了异构单元域在塑性变形过程中的应变配分效应。其次，低温抑制了位错交叉滑移，而有利于平面滑移和位错堆积，从而产生较高的HDI-应力。这一研究成果不仅有助于深入理解低温条件下异构材料的变形行为，还为设计高性能低温材料提供了新的思路。

图2. 均匀结构钛和异构纯钛的在室温（298K）和低温（77 K）下的单轴拉伸性能行为。

图3. 纯钛及钛合金的低温拉伸强度和均匀伸长率的Ashby图。

图4. 异构材料中力学不相容性引起应变配分的原理示意图及温度的影响。

以上研究得到了国家重点研发计划项目（2021YFA1200202）和国家自然科学基金重点项目（51931003）和面上项目（12302246）的资助。