超细晶钛-镁复合材料：强强联合的力学性能突破

搁浅

超细晶钛-镁复合材料：强强联合的力学性能突破（Doi：10.3390/ma9080688）
在航空航天、医疗器械以及轻量化建筑等领域，钛（Ti）和镁（Mg）这两种轻质材料因其优异的性能而备受青睐。钛以其高强度著称，但密度相对较高；而镁虽然密度低，但强度有限。如何将这两种材料的优势完美结合，一直是材料科学领域的研究热点。近期，一项发表在《Materials》期刊上的研究，成功合成了一种超细晶钛-镁复合材料，其力学性能令人瞩目，为这一研究方向带来了新的突破。

研究背景

钛和镁在航空航天、医疗植入等领域应用广泛，但钛的高密度和镁的低强度限制了它们的进一步应用。尽管镁-钛平衡相图中不存在二元相，使得冶金合金化在热力学上无法实现，但通过其他方法结合这两种材料的优势仍具有重要意义。此前的研究尝试通过提高镁在钛中的溶解度或形成微结构复合材料来增强材料性能，但这些方法要么未能显著提升力学性能，要么存在一定的局限性。

研究方法

研究团队采用粉末压缩和高压扭转（HPT）技术制备了这种超细晶钛-镁复合材料。具体来说，他们将纯度分别为99.5%和99.8%的钛和**末按75体积%（88.4重量%）钛和25体积%（11.4重量%）镁的比例混合，通过两步HPT工艺对粉末进行压实和变形。第一步HPT为10转，第二步为100转，两步操作方向垂直，以实现更好的粉末压实、更快速的晶粒细化和更均匀的材料变形。最终得到的样品直径为8毫米，厚度为0.8毫米。为了研究局部变形行为和力学性能，研究人员使用聚焦离子束（FIB）技术制备了微压缩样品，并在扫描电子显微镜（SEM）中进行原位测试。

实验结果

实验结果显示，这种超细晶钛-镁复合材料的晶粒尺寸显著小于1微米，处于超细晶（UFG）范畴。尽管其晶粒尺寸介于纯钛和纯镁之间，但仍远高于类似结构的复合材料。在力学性能方面，该复合材料展现出约1250 MPa的卓越屈服强度，比文献中类似材料的报告高出约200至500 MPa。然而，样品的失效模式主要是沿相界开裂。

Figure 1. Stress-Strain Data of All Three Samples

Figure 2. Yield Strength Comparison with Literature Data

详细分析

研究人员对三个样品进行了微压缩测试。样品1和样品2表现出相似的力学行为，具有明显的屈服点和随后的应变硬化，直至达到极限压缩强度（约1460 MPa），然后出现波动性软化。样品2在第二次加载时，屈服应力降低，这可能是由于两次加载之间的对齐差异所致。样品3则表现出不同的行为，其屈服强度和极限压缩强度均低于样品1和样品2，且没有出现波动性软化，而是呈现出近乎恒定的流动应力水平。通过原位SEM观察发现，样品3内部存在缺陷，如裂纹，这可能是其力学性能差异的原因。

Figure 3. BSE Images of Sample 3

结论与展望

该研究成功制备了一种超细晶钛-镁复合材料，其屈服强度显著高于类似尺寸或微观结构长度尺度的单晶、纳米晶或层状结构材料。尽管在高压扭转加工过程中可能会出现裂纹，但这些裂纹主要沿着氧化的相界扩展，未来可以通过在粉末压实前进行还原气氛退火来避免这种情况。这项研究不仅为钛和镁的复合材料开发提供了新的思路，也为制造高强度、轻量化的工程材料开辟了新的途径。

（注：本文基于《Materials》期刊论文内容整理，旨在介绍研究成果，不涉及任何商业用途。）