【组内研报】Materials Research Letters|突破金属复合材料强塑性混合法则!新型TA1/304钢层状复合材料研发取得关键进展

金属材料的强度与塑性，长期以来被业界视为难以兼顾的“鱼和熊掌”的核心难题。在传统均质细晶粒金属材料中，若想提升屈服强度，往往需以牺牲材料塑性为代价，这一固有瓶颈严重制约了高端装备用金属材料的性能升级与应用拓展。异质结构设计被证实是打破金属强度-延展性倒置关系的有效策略，但其复杂的制备工艺的和受限的样品尺寸，一直难以实现工业化规模化应用，成为阻碍技术落地的关键壁垒。在此背景下，层状复合轧制技术凭借界面约束作用实现显微结构精准调控的优势，在钛/钢复合材料制备领域展现出广阔应用潜力。然而，当前钛/钢复合材料研发仍面临两大核心痛点：一是现有设计多局限于双层结构，性能提升空间有限；二是界面极易形成脆性金属间化合物(IMCs)，大幅削弱界面结合强度，严重影响复合材料的整体力学性能与服役可靠性。针对上述痛点，本论文创新提出“引入纯V作为中间层”的设计思路，通过层状复合轧制工艺，成功实现同质与异质界面的协同引入，最终制备出具有独特纳米级异质结构的新型TA1/304钢复合材料。值得关注的是，该新型复合材料的强度与塑性同步突破传统层状混合规则的限制，既具备超过单一组元的高强度，又保留了优异的延展性，真正实现了“强塑兼备”的性能目标，有效破解了传统钛/钢复合材料的性能短板。

作者通过大压下量轧制复合工艺并通过引入纯V中间层及同质/异质界面，成功制备出具有优异力学性能的TA1/304钢层状复合材料。该复合材料的原始组织呈现为纳米级异质结构，304钢层内，γ-奥氏体（宽度约150 nm）与应力诱导α′-马氏体（宽度约300 nm）交替分布；TA1层由宽度约400 nm的超细板条和平均尺寸约200 nm的超细等轴晶粒组成。在同质与异质界面的耦合作用下，高密度位错被激活，缠结后演化为位错壁，并进一步排列为亚晶粒和超细晶粒，最终形成纳米级异质结构。

图1：复合材料的拉伸行为分析

• 热轧态复合材料的屈服强度为760 MPa，高于均质TA1(410 MPa)和304钢(660 MPa)；其抗拉强度(940 MPa)与均匀伸长率(48%)与304钢(990 MPa，37%)相当，但远优于TA1。经温轧处理后，复合材料屈服强度进一步提高至1050 MPa，均匀伸长率达28%。此外，复合材料的加工硬化率与均质304钢相当，但明显高于均质TA1。

图2：层状复合材料变形组织的TEM分析

• 通过TEM透射表征对样品变形后的微观结构进行分析，在γ奥氏体内部出现了宽度约10 nm的ε-马氏体与堆垛层错（SFs）。塑性变形初期主要由位错滑移控制，随后α′-马氏体与SFs依次被激活。晶界与相界对位错运动的阻碍维持了初始的加工硬化率。在较大应变下，α′/ε-马氏体与SFs进一步阻碍位错运动，引起明显的HDI应力强化，从而进一步提升加工硬化率。在304钢层中，α′/ε -马氏体与SFs的形成及其对位错滑移的阻力，共同贡献了显著的塑性变形能力。TA1层持续发生塑性变形，未出现早期颈缩。除了<a>位错外，在304钢层施加的高应力作用下，TA1层超细等轴晶内激活了大量波状<c+a>位错，有助于维持均匀的塑性变形，从而抑制过早颈缩。

04

总结与展望

   同质及异质界面诱发超细纳米级异质结构使得TA1/304钢层状复合材料突破了层状混合法则，不仅为TA1/304钢复合材料的高性能设计提供了全新思路，更解决了异质结构材料工业化应用的关键瓶颈——规模化生产，纯V中间层的引入既抑制了脆性金属间化合物的形成，又通过界面调控诱导纳米级异质结构生成，兼顾了性能提升与生产可行性。这种界面工程的设计策略为其他材料体系（如镁/钢、铝/钢）设计出高性能纳米异质结构提供了可行的思路。

团 队 介 绍

河北工业大学层状材料与器件团队自2019年成立以来，形成“厚积成材、循层渐进”的教育理念，培养了大批青年人才和优秀学子，荣获河北省高校首批黄大年式教师团队等荣誉称号。研究团队所在的材料学科是河北工业大学“世界一流学科”的三个支撑学科之一，团队拥有结构材料（3D打印、熔炼、轧制、热处理、力学性能测试等设备）和功能材料（真空磁控溅射系统、多层软包电池生产线、光伏组件制备系统等）完整制备平台，以及球差校正透射电子显微镜、原位样品杆以及双束加工系统、光伏组件表征系统等先进分析测试平台。团队累计发表Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Acta Materialia等高水平期刊论文100多篇，授权发明专利10余项，获批国家自然科学基金（青年科学基金项目（A类）、区域联合重点项目、面上项目、青年基金）、河北省自然科学基金（重点项目、青年项目）、中央引导地方项目等30余项，承担河钢集团、中伟新材料股份有限公司等企业项目20余项。

本文推送内容基于河北工业大学层状材料与器件团队已发表的研究成果整理而成，相关论文已正式发表于【Materials Research Letters】。本文仅对论文核心内容进行简要介绍与解读，旨在促进学术交流与成果传播。受篇幅及表述方式所限，相关内容未能完全覆盖论文全部细节，具体研究方法与结果请以论文原文为准。论文版权归期刊或出版社所有。欢迎转载与分享本文推送内容，请在显著位置注明出处并保留原文链接。感谢您的关注与支持，让我们共同助力材料学科的发展。