钛（Ti）合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性、卓越的阻尼性能和良好的可铸性，在航空航天及交通运输工程等领域的重要性日益凸显。但长期以来，亚稳β钛合金面临一个关键瓶颈——强度与塑性难以兼顾。

近期，西南交通大学徐轶教授（通讯作者）、崔明杰博士（第一作者）等研究者通过精准调节Fe含量，成功激活应力诱导α’马氏体与{332}〈113〉孪晶协同变形机制，这种TRIP/TWIP协同强化作用赋予Ti-V-Al-Fe合金优异的强韧性匹配。相关研究成果以Enhanced strength-ductility combinations of Ti-V-Al alloys by Fe adjustment activated TRIP/TWIP synergy为题发表在Materials Characterization上。

本研究由西南交通大学材料科学与工程学院、钒钛稀土交通材料研究中心联合西昌华腾新材料制造有限公司共同完成，得到国家自然科学基金（No.52371143）、中国工程院合作项目（2023-DFZD-30）支持。

一、核心痛点

亚稳β钛合金因具有体心立方（BCC）结构，变形机制复杂，主要依赖：应力诱导马氏体相变（相变诱导塑性TRIP效应）；应力诱导孪晶（孪晶诱导塑性TWIP效应）。传统合金中，这两种机制难以协同发挥作用，且易形成有害的ω相导致合金脆化，严重制约其工程应用。如何通过简单有效的成分调控，实现“相变+孪生”协同强化，成为该领域的研究热点。

二、关键创新

研究者设计了Ti-13V-3Al-xFe（x=0、0.5、1、1.5、2at.%）合金体系，通过真空电弧熔炼、固溶淬火、冷轧等工艺制备样品，系统探究Fe含量对合金相结构、变形机制和力学性能的影响。

核心发现1：Fe是β相稳定元素，也是ω相抑制元素

Fe的加入带来两个关键作用：

·显著提升β相稳定性：当Fe含量≥1at.%时，合金经热处理后形成单一β相（BCC结构），彻底消除了α/α'相的杂乱分布；

·抑制有害ω相析出：ω相通常导致钛合金脆化，Fe的添加能有效阻碍其形核与生长，避免合金从韧性向脆性转变。

核心发现2：1.5at.%Fe是黄金配比，激活TRIP/TWIP协同

Fe含量直接决定合金的变形机制：

·低Fe含量（≤1at.%）：β相稳定性不足，变形以TRIP效应为主（应力诱导α'马氏体相变），但塑性有限；

·高Fe含量（2at.%）：β相过度稳定，变形以位错滑移为主，虽强度最高但塑性下降。

·关键配比（1.5at.%Fe）：β相稳定性达到最佳平衡点，变形时同时激活应力诱导α'马氏体相变（TRIP）和{332}〈113〉孪生（TWIP），两种机制协同作用：

·α'马氏体通过有限滑移系提供强度支撑；

·{332}〈113〉孪生通过细化组织、吸收应力集中提升塑性。

·孪生边界与马氏体相界面相互作用，进一步延缓裂纹扩展。

三、性能突破

Ti-13V-3Al-1.5Fe合金：伸长率高达75%，较无Fe合金提升近190%，同时保持693MPa的抗拉强度，实现强塑性平衡。

Ti-13V-3Al-2Fe合金：屈服强度560MPa、抗拉强度759MPa，塑性仍达37%。

四、研究价值

该研究的核心创新在于：通过简单的Fe含量调节，而非复杂的多元素配比，即可精准调控β相稳定性，实现TRIP/TWIP协同强化。这一设计思路具有三大优势：

·成分设计简洁：仅添加一种常见元素Fe，降低工业化生产成本；

·工艺兼容性强：适配真空熔炼、冷轧、固溶处理等常规制备工艺；

·性能可定制：根据需求调整Fe含量，可分别优化塑性优先（1.5Fe）或强度优先（2Fe）的性能组合。

精确调控铁含量并进行适当的热机械处理，能够有针对性地激活TWIP/TRIP协同效应，为高性能β钛合金建立新的设计范式。

图1.不同铁含量的Ti-13V-3Al-xFe合金的相组成与表面形貌。(a)X射线衍射谱图，用于相结构鉴定；(b)-(f)扫描电镜图像，依次展示了对应0Fe、0.5Fe、1Fe、1.5Fe和2Fe标样的表面形貌

图2.不同铁含量的Ti-13V-3Al-xFe合金微观结构。（a）0Fe试样的TEM明场图像；（b）（a）中红色方块的放大；（c）1Fe试样的TEM明场图像；（d）（c）中蓝色方块的放大；（e）（b）中标号HRTEM1区域的HRTEM图像；（f）（d）中标号HRTEM2区域的HRTEM图像；（g）-（i）依次对应（b）中的SAED1、（b）中的SAED2、（d）中的SAED3区域的SAED图案；（j）0Fe试样的SEM-BSD图像及其对应的EDS映射。

图3.不同Fe含量Ti-13V-3Al-xFe合金的力学性能与断裂形貌。(a)典型拉伸曲线；(b)屈服强度与抗拉强度；(c)延伸率；(d)维氏硬度；(e)-(i)依次对应0Fe、0.5Fe、1Fe、1.5Fe和2Fe试样的断口表面形貌。

图4.不同Fe含量Ti-13V-3Al-xFe合金的变形诱导微观结构的EBSD分析结果。(a)-(d)代表0Fe、1Fe、1.5Fe、2Fe样品的拉伸断口边缘相分布图；(e)-(g)代表1Fe、1.5Fe、2Fe样品的孪晶边界分布图。

图5.不同Fe含量的Ti-13V-3Al-xFe合金变形诱导微观结构的EBSD分析结果。（a）-（d）分别为0Fe、1Fe、1.5Fe和2Fe试样的变形微观结构的IPF图；（e）-（h）分别为0Fe、1Fe、1.5Fe和2Fe试样的变形微观结构的KAM图。

图6.不同铁含量Ti-13V-3Al-xFe合金的EBSD分析。(a)-(e)依次对应0Fe、0.5Fe、1Fe、1.5Fe和2Fe样品的IPF图。

图7.1.5Fe试样变形诱导的微观结构与孪晶变体的EBSD分析。(a)局部变形微观结构的IPF图；(b)-(c)局部变形微观结构的PF图；(d)-(f)定量表征取向梯度的局部取向差图；(g)与选定区域对应的晶粒取向图。注：初级孪晶1、初级孪晶2、孪晶变体1和孪晶变体2分别标记为{332}T1、{332}T2、{332}TV1和{332}TV2。

图8.Ti-13V-3Al-xFe(x=0,1,1.5,和2at.%)合金中Fe介导的变形机制转变。示意图展示了随着Fe含量增加应变响应的演化。

团队介绍

面向国家重大需求，四川被中央明确要求建设成为“支撑国家战略纵深发展的战略腹地”。作为国家重要的战略资源，钒钛稀土一直以来都是四川重要的名片。依托国家需求，整合学科优势，建立钒钛稀土交通材料研究中心，大力推进科技创新在产学研用深度融合，聚焦攀西重要战略资源，建立“钒钛+稀土+交通材料”新模式，加快形成新质生产力。打造创新资源集聚、组织运行开放、治理结构多元、具有国际影响力的新质生产力技术创新平台。研究中心目前致力于结构功能一体化金属材料、高性能粉末材料设计制备及其3D打印、高熵合金、高温合金、钛合金及特殊钢材料与部件、稀土功能材料、绿色冶金、Al材料设计等在交通领域的研发及应用。团队目前有教授及以上职称4人，副教授及以上职称6人，博士后5人，博士生20余人，硕士生100余人。近些年，主持国家自然科学基金、“两机”重大专项、国家重点研发计划、国防项目、省部级项目、企业横向项目100余项，科研合同经费突破5000万元，发表SCI论文300余篇，授权国家发明专利80余项。获四川省科技进步奖、四川省教学成果奖多项。