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

現(xiàn)代材料科學(xué)把這種能力稱(chēng)為“加工硬化”。它不僅決定著金屬能否被加工成復(fù)雜零件，也決定著零件在服役過(guò)程中能否承受意外沖擊，避免“用一次就斷裂”?？梢哉f(shuō)，加工硬化是工業(yè)的底座：沒(méi)有它，就沒(méi)有可靠的制造業(yè)。

TRIP與TWIP：改變產(chǎn)業(yè)版圖的兩次突破

在近代工業(yè)史上，加工硬化的兩次理論飛躍，直接改變了國(guó)家制造業(yè)的格局。

• TRIP效應(yīng)（Transformation-Induced Plasticity的提出，使鋼鐵在塑性變形中能夠持續(xù)相變、不斷強(qiáng)化。20世紀(jì)90年代，日本汽車(chē)工業(yè)率先把TRIP鋼推向車(chē)身制造：車(chē)身更輕、更抗撞、更節(jié)能，幫助日本汽車(chē)工業(yè)在全球競(jìng)爭(zhēng)中建立了領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

• TWIP效應(yīng)（Twinning-Induced Plasticity）則帶來(lái)了另一條路徑。通過(guò)引入變形孿生界動(dòng)態(tài)細(xì)化晶粒使鋼材在承受巨大塑性變形時(shí)依然能維持極高的硬化速率。韓國(guó)造船和重工業(yè)將TWIP鋼投入到海工、船舶和重載設(shè)備制造中，彌補(bǔ)了長(zhǎng)期的材料短板，并迅速在國(guó)際市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)突破。

從TRIP到TWIP，可以看到一個(gè)清晰的規(guī)律：每一次加工硬化機(jī)理的突破，都能撬動(dòng)一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的升級(jí)換代。

鈦合金的困境：強(qiáng)，但“過(guò)剛易折”

鈦合金以高比強(qiáng)度和耐腐蝕性能著稱(chēng)，被廣泛用于航空、能源和海洋裝備。然而，它長(zhǎng)期面臨一個(gè)結(jié)構(gòu)性難題：強(qiáng)度高，卻缺乏可持續(xù)硬化能力。在塑性變形過(guò)程中，鈦合金往往缺乏“越挫越勇”的特性，反而容易在高應(yīng)力下脆斷。過(guò)去幾十年，研究者們嘗試把TRIP和TWIP機(jī)制引入鈦合金，希望解決這一難題。但結(jié)果始終不盡如人意：TRIP型鈦合金可以變硬，但初始強(qiáng)度往往不足600MPa；TWIP型鈦合金強(qiáng)度可達(dá)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(qiáng)度基準(zhǔn)。因此，在鈦合金領(lǐng)域，加工硬化始終是個(gè)難以逾越的鴻溝。

Monash團(tuán)隊(duì)的突破：全新加工硬化機(jī)理

近日發(fā)表于Nature Communications的一項(xiàng)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(xué)增材制造中心（MCAM）牽頭，黃愛(ài)軍教授、朱玉滿老師指導(dǎo)，彭繪之研究員為第一作者，并聯(lián)合澳大利亞、美國(guó)、中國(guó)與歐洲合作團(tuán)隊(duì)完成。研究團(tuán)隊(duì)采用激光選區(qū)熔化（LPBF）工藝，對(duì)商用Ti-6246合金進(jìn)行增材制造，利用LPBF中的快速凝固、熱循環(huán)疊加和復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)將材料推入一個(gè)常規(guī)工藝無(wú)法到達(dá)的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)：一個(gè)在TRIP/TWIP體系中被視為“死局”的起始組織。

全馬氏體化結(jié)構(gòu)→無(wú)可轉(zhuǎn)化母相，傳統(tǒng)TRIP機(jī)制無(wú)法觸發(fā)。三取向納米孿晶亞結(jié)構(gòu) → 孿晶界間距僅約7–10 nm，孿生活化空間被壓縮至極限，TWIP機(jī)制同樣難以延續(xù)。在常規(guī)理論判斷中，這種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的是“加工硬化終點(diǎn)態(tài)”——既無(wú)法繼續(xù)相變（TRIP），也沒(méi)有足夠?qū)\晶空間（TWIP），更無(wú)法積累位錯(cuò)，理應(yīng)不具備進(jìn)一步強(qiáng)化的條件。但關(guān)鍵突破，恰恰發(fā)生在這個(gè)被視為“無(wú)法再硬化”的組織起點(diǎn)上。

研究發(fā)現(xiàn)，該組織結(jié)構(gòu)在拉伸過(guò)程中，表現(xiàn)出一種此前未被報(bào)道過(guò)的雙階段加工硬化過(guò)程：

①選擇性地退孿晶。三向?qū)\晶中，僅與加載方向匹配的孿晶界得以保留并擴(kuò)展，其余逐步消失。這一演化使組織轉(zhuǎn)變?yōu)檠乩旆较蚺帕械募{米孿晶層片，實(shí)現(xiàn)初始強(qiáng)化，并為后續(xù)硬化奠定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

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(nèi)部，大量堆垛層錯(cuò)在后續(xù)拉伸過(guò)程中持續(xù)生成，并與納米孿晶界發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的位錯(cuò)鎖結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程不是TRIP，也不是TWIP，卻同樣帶來(lái)顯著的應(yīng)變硬化效應(yīng)。

性能跨越關(guān)鍵門(mén)檻。上述機(jī)制使得材料表現(xiàn)出長(zhǎng)期缺失的性能組合：屈服強(qiáng)度超過(guò)900 MPa（滿足工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用要求），峰值加工硬化速率達(dá)到10 GPa以上，換句話說(shuō)，鈦合金終于可以 強(qiáng)且“越挫越勇”了。

產(chǎn)業(yè)意義：鈦合金的“通行證”

這項(xiàng)成果的意義不止于實(shí)驗(yàn)室，而在于它為鈦合金打開(kāi)了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的全新前景。在航空航天領(lǐng)域，鈦合金結(jié)構(gòu)件將能在承受長(zhǎng)期疲勞與應(yīng)力沖擊時(shí)保持強(qiáng)化，不再受制于“過(guò)剛易折”的短板。在海洋與能源裝備中，高強(qiáng)度與強(qiáng)硬化能力的結(jié)合，有望顯著延長(zhǎng)服役壽命。在先進(jìn)制造上，增材制造與新硬化機(jī)制的結(jié)合，讓設(shè)計(jì)自由度與性能雙雙提升，為復(fù)雜構(gòu)件的直接制造奠定基礎(chǔ)。正如TRIP鋼成就了日本汽車(chē)，TWIP鋼支撐了韓國(guó)造船，這一突破也可能成為鈦合金走向更廣闊產(chǎn)業(yè)舞臺(tái)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

加工硬化的每一次機(jī)理突破，都會(huì)改變制造業(yè)的未來(lái)。在TRIP和TWIP之外，鈦合金的第三條加工硬化路線已經(jīng)被打開(kāi)。它不僅是材料科學(xué)的新篇章，也可能是工業(yè)格局的新起點(diǎn)。

論文信息：
Achieving high strain hardening and strength in an additively manufactured titanium alloy
2025年11月20日發(fā)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(ài)軍教授（Monash University）

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。