欣益奇自媒体钛合金是航空航天、能源基础设施和生物医学设备等广泛应用领域的重要结构材料。但和大多数金属一样，优化其性能往往需要在两个关键特性之间做出权衡：强度和延展性。强度更高的材料往往变形能力较差，而变形能力较强的材料则机械强度较弱。
现在，麻省理工学院（MIT）的研究人员与ATI特种材料公司的研究人员合作，发现了一种新方法，可以打破这种传统的权衡关系，创造出具有非凡强度和延展性组合的全新钛合金，这可能会带来全新的应用。
这项研究成果发表在《先进材料》期刊上，由Shaolou Wei ScD、C. Cem Tasan教授、博士后Kyung-Shik Kim以及ATI公司的John Foltz共同撰写。研究团队表示，这些改进源于对合金化学成分和晶格结构的定制，以及对工业生产中材料加工技术的调整。
钛合金之所以重要，是因为它们具有出色的机械性能、耐腐蚀性和轻质性（与钢材相比）。通过精心选择合金元素及其相对比例，以及材料的加工方式，可以创造出各种不同的结构。
“你可以创造出各种不同的结构，这为你在低温和高温下获得良好的性能组合提供了广阔的空间，”Tasan表示。
但这种丰富的可能性又反过来要求有一种方法来指导选择，以生产出满足特定应用需求的材料。新研究中描述的分析和实验结果为此提供了指导。
Tasan解释说，钛合金的结构，直至原子尺度，都决定了它们的性能。而在某些钛合金中，这种结构甚至更为复杂，由两种不同混合的相组成，即α相和β相。
“这种设计方法的关键策略是考虑不同尺度的影响，”他说。“一个尺度是单个晶体的结构。例如，通过仔细选择合金元素，可以获得更理想的α相晶体结构，这种结构能够实现特定的变形机制。另一个尺度是多晶尺度，这涉及到α相和β相之间的相互作用。因此，这里所采用的方法涉及对两者的设计考虑。”
除了选择合适的合金材料和比例外，加工步骤也发挥了重要作用。研究团队发现，一种称为交叉轧制的技术是实现非凡强度和延展性组合的关键。
与ATI的研究人员合作，研究团队在扫描电子显微镜下测试了多种合金在变形过程中的表现，揭示了它们的微观结构如何响应外部机械载荷的详细情况。他们发现，存在一组特定的参数——包括成分、比例和加工方法——这些参数能够产生一种结构，其中α相和β相能够均匀变形，从而减轻了当它们以不同方式响应时可能在相之间产生的开裂倾向。
“这些相和谐地变形，”Tasan说。他们发现，这种对变形的协同响应可以产生更优越的材料。
“我们观察了材料的结构，以了解这两个相及其形态，并通过在原子尺度上进行局部化学分析来研究它们的化学成分。我们采用了多种技术来量化材料在不同长度尺度上的各种性能，”Tasan说，他是POSCO材料科学与工程教授和冶金学副教授。
“当我们根据他们的系统观察这些钛合金的整体性能时，这些性能确实比同类合金要好得多。”
据Tasan介绍，这是一项由行业支持的学术研究，旨在证明可大规模商业化生产的合金的设计原则。
“我们在这项合作中的工作真的是为了对晶体塑性有一个基本的了解。我们证明了这种设计策略是有效的，并且我们从科学的角度展示了它的工作原理，”他补充道，并指出仍有很大的改进空间。
至于这些发现的潜在应用，他说：“在任何需要提高强度和延展性组合的航空航天应用中，这种发明都提供了新的机会。”
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