亞穩(wěn)β鈦合金具有高比強度、良好的耐腐蝕性、低模量和出色的生物相容性等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用在航空航天、石油化工、航海等領(lǐng)域。其中，單相亞穩(wěn)β鈦合金因兼具較高強度和腐蝕抗力，近年來一直是行業(yè)內(nèi)的研究熱點。但針對單相合金的強化手段（例如固溶強化和細晶強化）對力學性能的提升仍然有限，導致單相亞穩(wěn)β鈦合金具有較低的屈服強度，限制了其進一步工程產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

針對上述問題，西安交大金屬材料強度國家重點實驗室孫軍院士團隊以d電子軌道理論設(shè)計合金成分，在保持單相固溶體的情況下構(gòu)建出兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，進一步提升了單相亞穩(wěn)β鈦合金的綜合力學性能。在成分設(shè)計上，考慮到合金的變形機制決定其宏觀力學性能，因此設(shè)計出同時具有位錯滑移和變形孿晶的合金成分，以期望通過位錯滑移提供高強度，通過變形孿晶提供大塑性。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，利用晶粒再結(jié)晶過程的動態(tài)性，以熱軋輔以短時固溶處理，控制微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性（晶粒尺寸和位錯密度），巧妙構(gòu)筑出表層再結(jié)晶+芯部非再結(jié)晶的異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)（HLS）和表層再結(jié)晶+芯部部分再結(jié)晶的異質(zhì)雙峰結(jié)構(gòu)（HBS）。隨后，從異質(zhì)結(jié)構(gòu)軟硬區(qū)的協(xié)同變形效應(yīng)對變形孿晶/位錯滑移的激活和力學性能進行了深入的分析。

研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的GEG（再結(jié)晶等軸晶粒）鈦合金相比，具有最高背應(yīng)力的HBS鈦合金表現(xiàn)出最高的強度，而HLS鈦合金表現(xiàn)出強度和延展性的最優(yōu)結(jié)合。

此外，位錯滑移首先發(fā)生在HLS鈦合金中，而孿晶首先發(fā)生在HBS和GEG鈦合金中，這分別與預先位錯密度和孿晶觸發(fā)的尺寸效應(yīng)密切相關(guān)。進一步證明位錯工程和異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)合可使亞穩(wěn)β鈦合金具有出色的強度-延展性平衡。

最后，在本構(gòu)模型中引入晶粒尺寸和位錯密度的異質(zhì)分布，并聯(lián)合塑性變形過程中軟硬區(qū)的各向同性硬化和隨動硬化，合理解釋了異質(zhì)結(jié)構(gòu)引起的性能提升。精心設(shè)計的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和變形機制的組合（孿晶+滑移）為單相合金的強韌化提供了一種新途徑，可適用于其他單相合金體系并具有極大的工業(yè)應(yīng)用潛力。

相關(guān)研究成果以Achieving superior strengthductility balance in a novel heterostructured strong metastable β-Ti alloy為題發(fā)表在International Journal of Plasticity上。