科研进展丨热-力耦合诱导相变实现轻质难熔多组元合金高温应变硬化
随着航空航天与核工程技术的飞速发展，结构材料正日益面临极端热-力耦合环境的考验，高温力学稳定性已成为决定材料服役寿命的关键因素。轻质难熔多组元合金(LRMCA)因兼具难熔合金优异的高温稳定性和轻质合金的低密度优势，被视为下一代高温结构材料的有力候选者。然而，多数轻质难熔多组元合金在高温屈服后表现出严重的应变软化现象，导致塑性失稳和过早断裂，成为制约其作为高温结构件的关键瓶颈。因此，如何在服役温度下实现持续的应变硬化，是轻质难熔多组元合金领域亟待解决的核心难题。
近日，松山湖材料实验室张富祥研究员团队围绕轻质难熔多组元合金高温力学行为开展研究，在Ti-V-Zr-Nb-Al合金中发现了反常的高温应变硬化现象，并揭示了热-力耦合诱导的BCC→HCP相结构转变机制。相关成果以题为“Thermo-mechanical-coupling-induced structural transformation and strain-hardening in Ti-V-Zr-Nb-Al multi-component alloys”发表在材料科学领域知名期刊《Materials Research Letters》。论文第一作者为松山湖材料实验室研究生杨亨勇，张富祥研究员和冯创世工程师为共同通讯作者，松山湖材料实验室为第一通讯单位，合作单位包括中国科学院东莞材料科学与技术研究所、深圳大学及周口师范学院。本研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金以及国家重点研发计划的资助与支持。
研究团队以非等原子比Ti₆₀(V₂Zr₃Nb₂)₃₄Al₆轻质难熔多组元合金为研究对象，系统开展了室温和450 ℃条件下的拉伸对比实验。结果表明，该合金在450 ℃下的应变硬化率较室温提升约119%，而真实极限抗拉强度与室温相比基本保持不变。TEM分析结果显示，450 ℃拉伸后的试样变形区域内生成了大量针状HCP结构。为探明相变的产生条件，团队设计了单一因素（温度或应力）与热-力耦合条件的对比实验（图1）。XRD结果表明，单一冷轧或单一热处理均无法诱导HCP相形成；而冷轧后再经450 ℃时效处理后，则出现明显的HCP衍射峰，且随冷轧变形量的增加，HCP峰强度逐渐增强。当温度升高至650 ℃时，已形成的HCP相发生逆转变，HCP峰消失，BCC相重新占主导，表明温度过高将驱动逆相变发生。TKD表征结果显示，经90%冷轧+450℃/10h时效处理后，HCP相体积分数达46.2±3.7%，且优先在高几何必需位错密度区域形核。上述结果证实：BCC→HCP相变仅能在热-力耦合条件下被触发，单一热或力学因素均不足以诱导HCP相形成。
在此基础上，研究团队进一步通过原位高温拉伸EBSD测试，动态追踪了450 ℃变形过程中的相变和结构演化（图2）。结果表明，在450 ℃均匀变形阶段，合金中HCP相比例达9.6±2.7%；而室温变形全程均未检测到HCP相。基于上述实验证据，团队提出热-力耦合诱导相变（TMCIT）机制：初始BCC晶格中存在HCP前驱结构；外加应力破坏BCC堆垛顺序，诱发局部原子位移；450 ℃热激活促进原子重排，最终使HCP结构稳定。原位形成的纳米级HCP相通过Orowan机制有效钉扎位错，持续提供加工硬化能力，从而赋予材料优异的高温抗软化性能。
该研究揭示了Ti₆₀(V₂Zr₃Nb₂)₃₄Al₆轻质难熔多组元合金中的热-力耦合诱导的BCC→HCP相变机制，为设计具有优异高温抗软化性能的高性能轻质难熔多组元合金提供了新的理论依据和工艺路径，对推动该类材料在航空航天及核工程领域的应用具有重要科学意义与工程价值。
图 1. 室温和 450℃下的拉伸力学性能
图 2. 450 ℃拉伸后的TEM表征结果
图3. 不同热-力处理条件下合金的相变行为
图4. 室温和450 ℃下的原位拉伸EBSD测试结果
图5. HCP相形成机制示意图及450 ℃下拉伸应变硬化机制示意图
原文链接
https://doi.org/10.1080/21663831.2026.2703847