给BCC钛合金换上“异常孪晶”引擎，低温韧性创下纪录

在航空航天和深海装备领域，体心立方(BCC)金属一直备受青睐，但它们有一个挥之不去的“阿喀琉斯之踵”——低温脆性。传统上，(112)<111>孪晶在低温下虽然活跃，却常常成为裂纹的发源地。有没有一种孪晶，既能激活塑性，又不诱发开裂？

近日，大连理工大学闵小华教授团队报道了一个颠覆性发现：在一种轻质BCC Ti-Mo合金中，异常(332)<113>孪晶能够显著提升低温韧性。该合金在187K的韧脆转变温度(DBTT)下仍能保持115J的夏比冲击能量，其比韧性在同类BCC金属中优势明显。这一成果以"Unprecedented toughness in BCC titanium alloys through twinning"为题发表于Materials Today。

第一作者： Kai Yao 通讯作者： Xiaohua Min

01 低温脆性：BCC金属的“死穴”

BCC金属的韧脆转变现象是一个长期悬而未决的难题。随着温度降低，其屈服强度急剧上升，而断裂强度变化不大，当屈服强度超过断裂强度时，材料就会发生脆性断裂。这一行为的根源在于BCC中螺位错的高Peierls势垒——其运动依赖于热激活的扭结对形核，对温度极为敏感。

提高韧性的传统思路是降低DBTT，即将整条屈服强度曲线向低温平移。然而，这一策略收效有限，因为曲线的斜率并未改变，低温下屈服强度随应变率升高而快速上升的“天性”依然存在。

02 另辟蹊径：异常(332)<113>孪晶

孪晶对温度的敏感性远低于位错滑移，因此从滑移到孪晶的转变在低温下反而更易发生。然而，传统BCC金属中常见的(112)<111>孪晶在低温冲击下虽能被激活，其孪晶界却容易因局部应力集中和应变不匹配而成为裂纹萌生位点，反而恶化低温韧性。

与(112)<111>孪晶不同，异常(332)<113>孪晶在室温低应变率下即可启动，表现出：

• 对变形温度和应变率不敏感（即使在20K和约10³ s⁻¹的高应变率下仍能大量形成）；

• 显著的孪晶诱导塑性效应——一次孪晶、孪晶-孪晶相交、二次孪晶在内部萌生，实现动态晶粒细化；

• 更大的位错激活体积（284b³），远高于传统扭结对机制（约10-100b³），提供更优的塑性协调能力。

这使得(332)<113>孪晶不仅能像传统策略一样平移屈服强度曲线，更能有效降低其斜率，从根本上改善低温韧性。

03 性能惊艳：115J冲击能量，DBTT低至187K

图1a展示了Ti-15Mo合金与对比材料在不同温度下的夏比冲击能量。室温下高达228J，远超Ti-15Mo-1Fe（位错滑移主导，53J）和商用Ti-6Al-4V（62J）。随着温度降低，Ti-15Mo合金表现出明显的DBT现象，但其DBTT仅为187K，显著低于Ti-15Mo-1Fe合金（274K）。

更关键的是比韧性（图1d）。在相似的DBTT水平下，Ti-15Mo合金的夏比冲击能量（115J）和比韧性均明显优于传统BCC金属（如低碳钢、Fe-3%Si合金等），展现出轻质高韧的独特优势。

04 动态裂过程：两阶段开裂与纵向裂纹的“奇效”

研究团队通过动态J-R曲线和加载-位移曲线定量解析了Ti-15Mo合金在不同温度下的断裂行为（图2）。一个关键发现是：该合金在冲击过程中发生了纵向开裂。

如图3a所示，298K冲击后的样品缺口附近出现了约120°的裂纹张开角和显著凸起——这正是纵向裂纹从侧面隆起的直接证据。纵向裂纹的出现不会导致立即失效，反而通过以下机制耗散能量：

• 钝化裂纹尖端，阻碍横向裂纹扩展；

• 改变裂纹扩展路径，增加总断裂能。

J-R曲线进一步表明（图2d），纵向裂纹扩展阶段（对应W₁₂）所需的J积分高达2410 kJ/m²（298K），显示出极高的抗开裂能力。

05 微观密码：超细长晶粒的动态形成

Ti-15Mo合金超高韧性的根源在于(332)<113>孪晶诱导的动态晶粒细化：

高密度孪晶网络：即使在距缺口2mm的区域，仍形成异常高密度的(332)<113>孪晶，KAM值显著升高（图3c, c'），表明大量几何必需位错在孪晶界处塞积。这些位错可从孪晶界发射并在相邻边界处堆积，有效缓解应力集中，产生显著的背应力强化。

超细长晶粒的形成：在裂纹尖端前方，原始孪晶在高应变下逐渐演变为宽度仅约300nm、长径比极大的超细长晶粒（图4a, b）。许多晶粒仍保留(332)<113>孪晶关系，但KAM和TKD分析显示，大量高角度晶界已取代原始孪晶界，伴随持续累积的塑性应变。

进一步细化与“扫帚状”结构：在更靠近断口的区域，长晶粒宽度可细化至100nm以下（图4e-h）。这些超细长晶粒内部的位错进一步组织成互连边界，将晶粒分割成更细的亚结构。最终断口附近形成约0.7μm宽的超细长晶粒带，其两侧的晶粒被拉长成“扫帚状”（图3g, h），标志着断裂的最终阶段。

正是这种动态、多尺度的晶粒细化，赋予了Ti-15Mo合金前所未有的抗裂能力。

06 逆温孪晶行为：DBT现象的根源

与传统BCC金属中孪晶能力随温度降低而增强不同，Ti-15Mo合金的(332)<113>孪晶展现出逆温依赖性——孪晶面积分数随冲击温度降低而减少（图S10a）。

在298K至193K区间，孪晶应力仅温和上升，仍足以激活高密度孪晶。然而，当温度进一步降低至77K时，热激活的剪切和原子重排过程被强烈抑制，孪晶应力急剧升高，超过断裂强度，孪晶被完全抑制。此时，变形转为位错滑移主导，微裂纹在孪晶与孪晶、孪晶与晶界相交处萌生，断口呈现解理特征，韧性断崖式下跌。

因此，Ti-15Mo合金的DBT现象并非传统意义上的“位错滑移主导”，而是孪晶能力的逆温依赖性所导致。

这项研究首次系统揭示了(332)<113>孪晶在低温冲击下的韧化潜力及其与DBT的内在关联：

✅ 颠覆性发现：(332)<113>孪晶在低温冲击下能大量形成，有效提升韧性，与恶化韧性的传统(112)<111>孪晶形成鲜明对比。

✅ 突出性能：DBTT低至187K，DBTT处冲击能量115J，比韧性优势显著。

✅ 韧化机制：高密度孪晶诱导动态形成超细长晶粒，辅以GNDs塞积和纵向裂纹耗能，实现持续抗开裂。

✅ 物理本质：孪晶能力的逆温依赖性导致DBT现象，而非传统位错滑移机制。

该工作为发展轻质、高强、高韧的低温用BCC合金提供了全新的微观组织设计思路，有望推动钛合金在液化天然气储罐、深海探测器、航天低温燃料箱等极端环境下的工程应用。

参考信息：Yao K, Min X H, Dai J C. Unprecedented toughness in BCC titanium alloys through twinning. Materials Today, 2026.