《Nature 》子刊：全新加工硬化機制！鈦合金迎來“越挫越勇”的新時代

加工硬化，是金屬最古老也最關鍵的性能之一。早在冶煉技術尚未成型的時代，匠人們就已經懂得：錘打銅鐵可以讓其越挫越勇——金屬在反復敲打中變得更硬、更耐用。千百年來，這一現象成為金屬器物可靠使用的根基。

現代材料科學把這種能力稱為“加工硬化”。它不僅決定著金屬能否被加工成復雜零件，也決定著零件在服役過程中能否承受意外沖擊，避免“用一次就斷裂”。可以說，加工硬化是工業的底座：沒有它，就沒有可靠的制造業。

TRIP與TWIP：改變產業版圖的兩次突破

在近代工業史上，加工硬化的兩次理論飛躍，直接改變了國家制造業的格局。

• TRIP效應（Transformation-Induced Plasticity的提出，使鋼鐵在塑性變形中能夠持續相變、不斷強化。20世紀90年代，日本汽車工業率先把TRIP鋼推向車身制造：車身更輕、更抗撞、更節能，幫助日本汽車工業在全球競爭中建立了領先優勢。

• TWIP效應（Twinning-Induced Plasticity）則帶來了另一條路徑。通過引入變形孿生界動態細化晶粒使鋼材在承受巨大塑性變形時依然能維持極高的硬化速率。韓國造船和重工業將TWIP鋼投入到海工、船舶和重載設備制造中，彌補了長期的材料短板，并迅速在國際市場實現突破。

從TRIP到TWIP，可以看到一個清晰的規律：每一次加工硬化機理的突破，都能撬動一個國家制造業的升級換代。

鈦合金的困境：強，但“過剛易折”

鈦合金以高比強度和耐腐蝕性能著稱，被廣泛用于航空、能源和海洋裝備。然而，它長期面臨一個結構性難題：強度高，卻缺乏可持續硬化能力。在塑性變形過程中，鈦合金往往缺乏“越挫越勇”的特性，反而容易在高應力下脆斷。過去幾十年，研究者們嘗試把TRIP和TWIP機制引入鈦合金，希望解決這一難題。但結果始終不盡如人意：TRIP型鈦合金可以變硬，但初始強度往往不足600MPa；TWIP型鈦合金強度可達800MPa，卻加工硬化能力有限；嘗試融合TRIP+TWIP，也未能突破Ti-6Al-4V等主力合金(>900 MPa)的強度基準。因此，在鈦合金領域，加工硬化始終是個難以逾越的鴻溝。

Monash團隊的突破：全新加工硬化機理

近日發表于Nature Communications的一項研究，為鈦合金提供了一條不同于TRIP/TWIP的全新加工硬化路徑。該工作由Monash大學增材制造中心（MCAM）牽頭，黃愛軍教授、朱玉滿老師指導，彭繪之研究員為第一作者，并聯合澳大利亞、美國、中國與歐洲合作團隊完成。研究團隊采用激光選區熔化（LPBF）工藝，對商用Ti-6246合金進行增材制造，利用LPBF中的快速凝固、熱循環疊加和復雜應力場將材料推入一個常規工藝無法到達的微觀結構狀態：一個在TRIP/TWIP體系中被視為“死局”的起始組織。

全馬氏體化結構→無可轉化母相，傳統TRIP機制無法觸發。三取向納米孿晶亞結構 → 孿晶界間距僅約7–10 nm，孿生活化空間被壓縮至極限，TWIP機制同樣難以延續。在常規理論判斷中，這種結構對應的是“加工硬化終點態”——既無法繼續相變（TRIP），也沒有足夠孿晶空間（TWIP），更無法積累位錯，理應不具備進一步強化的條件。但關鍵突破，恰恰發生在這個被視為“無法再硬化”的組織起點上。

研究發現，該組織結構在拉伸過程中，表現出一種此前未被報道過的雙階段加工硬化過程：

①選擇性地退孿晶。三向孿晶中，僅與加載方向匹配的孿晶界得以保留并擴展，其余逐步消失。這一演化使組織轉變為沿拉伸方向排列的納米孿晶層片，實現初始強化，并為后續硬化奠定結構基礎。

②納米孿晶的“硬化潛力”被激活。在取向單一化的納米孿晶層片內部，大量堆垛層錯在后續拉伸過程中持續生成，并與納米孿晶界發生反應，形成穩定的位錯鎖結構。這一過程不是TRIP，也不是TWIP，卻同樣帶來顯著的應變硬化效應。

性能跨越關鍵門檻。上述機制使得材料表現出長期缺失的性能組合：屈服強度超過900 MPa（滿足工程結構應用要求），峰值加工硬化速率達到10 GPa以上，換句話說，鈦合金終于可以 強且“越挫越勇”了。

產業意義：鈦合金的“通行證”

這項成果的意義不止于實驗室，而在于它為鈦合金打開了產業應用的全新前景。在航空航天領域，鈦合金結構件將能在承受長期疲勞與應力沖擊時保持強化，不再受制于“過剛易折”的短板。在海洋與能源裝備中，高強度與強硬化能力的結合，有望顯著延長服役壽命。在先進制造上，增材制造與新硬化機制的結合，讓設計自由度與性能雙雙提升，為復雜構件的直接制造奠定基礎。正如TRIP鋼成就了日本汽車，TWIP鋼支撐了韓國造船，這一突破也可能成為鈦合金走向更廣闊產業舞臺的轉折點。

結語

加工硬化的每一次機理突破，都會改變制造業的未來。在TRIP和TWIP之外，鈦合金的第三條加工硬化路線已經被打開。它不僅是材料科學的新篇章，也可能是工業格局的新起點。

論文信息：
Achieving high strain hardening and strength in an additively manufactured titanium alloy
2025年11月20日發表于Nature Communications
第一作者：彭繪之博士（Monash University）
通訊作者：朱玉滿老師（Monash University），王云志教授（The Ohio State University），黃愛軍教授（Monash University）

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。