多晶体材料中，低温或较低温度下晶界强化是众所周知的。晶界掌控着多晶体材料的力学性能，同时对材料的变形、失效和其他冶金现象至关重要。当晶粒尺寸低于20nm时，材料表现出“逆 Hall-Petch” 效应，这早在20世纪80年代已被发现。随着晶粒尺寸的降低到dc以下，材料由位错介导变形机制转变为晶界介导变形机制，以晶界介导变形为主的变形被称为“逆 Hall-Petch” 效应。然而，高温下晶粒尺寸的变化对多晶体金属材料高温力学性能的影响至关重要，高温下晶粒尺寸和临界尺寸dc与温度之间的关系仍然是个空白。 

西安理工大学李树丰教授团队在阐明高温钛合金TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）在室温条件下临界晶粒尺寸dc与温度之间关系的基础上，进一步揭示了其高温Inverse Hall-Petch效应。本研究通过晶粒尺寸设计，形成异常粗大的晶粒，进一步放大晶界在高温下的软化效应。在TA15合金的服役温度（550℃）前后进行高温拉伸实验，结果表明试样的屈服强度和晶粒强度随着温度的升高而降低。高温下晶界和相界作为主要的变形位置，破坏了α/β相之间的伯格斯矢量关系（{110}β//{0001}α和<1-11>β//<11-20>α），形成了大量的小角度晶界。其次，高温为各个滑移系启动提供了足够的能量，降低了晶粒滑移系的临界剪切应力（CRSS）。通过高温原位SEM和高温纳米压痕等实验，发现在550℃前后材料的变形机制和失效机制发生转变；当温度低于550℃时，试样以晶粒变形（位错介导变形）为主，穿晶断裂；当温度高于550℃时，试样以晶界变形（晶界迁移，晶界滑移；晶界介导变形为主）为主，沿晶断裂；晶界表现出高温逆Hall-Petch效应，这表明高温下TA15试样的临界尺寸dc要远大于20nm。因此，TA15试样的临界尺寸dc随着温度的升高而变大(Fig. 6b)。

基于此，本研究提出了两种提高金属材料高温力学性能的方法： 1） 晶粒尺寸调控，高温下服役的晶粒尺寸接近dc。 2） 晶界设计，在晶界处引入纳米析出相，利用纳米析出相钉扎晶界，降低材料的dc。 

该发现为提高金属材料的高温力学性能提供了新的思路，有望为提高多晶金属材料高温力学性能的开发提供重要理论基础与科学指导。相关成果以“High-temperature “Inverse” Hall-Petch relationship and fracture behavior of TA15 alloy”为题发表于工程塑性领域顶级期刊《International Journal of Plasticity》上。论文第一作者为西安理工大学2022级博士生李少龙，现香港城市大学联合培养博士生。通讯作者为西安理工大学李树丰教授、香港城市大学朱运田教授（联合培养导师）和英国曼彻斯特大学Philip J. Withers教授。 

该工作获得国家重点研发计划项目(2021YFB3701203)、陕西省重点科技创新团队项目(2023-CX-TD-46)、国家自然科学基金项目(52201165)和博士留学联合培养基金项目(101/252092301)支持。针对钛合金及钛基复合材料的强韧性和高温性能研究方面，李树丰教授团队已经在《Proceedings of the National Academy of Sciences of America》、《International Journal of Plasticity》、《Additive Manufacturing》、《Carbon》和《Composites Part B》等国际顶级期刊发表多篇高水平研究论文；授权美国专利1项，中国专利数10项。 

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103951  

图1 微观组织及其高温力学性能 

图2魏氏体组织在不同高温拉伸后的断后侧面金相照片

图3 双态组织不同高温断后试样侧面IPF图及其对应的取向角分布柱状图

图4 双态组织不同拉伸温度下施密特因子分布及滑移迹线

图5 魏氏体组织高温原位拉伸，晶界迁移、滑移演变过程

图6 室温或较低温度下Hall-Petch关系和高温下的Inverse Hall-Petch关系示意图及转变机制。(a) 室温或较低温度Hall-Petch强化示意图，(b) Hall-Petch 向 Inverse Hall-Petch转变的临界尺寸dc随温度变化的示意图，(c) 高温晶粒和晶界软化机制示意图，(d) 室高温纳米压痕载荷位移曲线。