商用纯钛（Ti）具有很多有利的特性，包括重量轻、耐腐蚀性强，是一种理想的生物医学植入材料。然而，低硬度和低强度对其广泛的应用造成了严重的限制。为了提高Ti的强度，合金化是一种有效的方法。双相Ti-6Al-4 V目前广泛用于生物医学领域，然而，有毒元素如V使这种合金不再是最佳选择。此外，通过剧烈塑性变形产生的超细晶粒（UFG）和异质结构的纯Ti因其接近1 GPa的高强度而受到青睐。但是它们的体积大小限制和纳米结构的热/机械不稳定性给它们的实际应用设置了障碍。不可避免的强度-传导性权衡、晶粒粗化引起的性能下降和高制造成本使其在生物医学植入物中处于劣势。因此，如何找到一种经济的加工方法来提高强度，同时又不损害过多的延展性，是推动生物医学植入物用纯钛发展的关键。

来自西安交通大学的学者通过在纯钛中设计一个独特的氧梯度来解决这一难题，实现了超硬性、高强度、韧性和增强应变硬化率的非线性组合。提出了六方钛中这种氧调控塑性的合理机制，它取决于屈服后的孪生协调塑性和随后氧溶胶介导的位错滑移。在低氧浓度下，位错在普通棱柱面上滑行，然后在不寻常的一阶金字塔面上占优势，然后随着氧含量的增加转移到奇特的基面和二阶金字塔面。这些发现为优化具有理想机械性能的纯钛提供了一个有效的手段。相关文章以“Oxygen-gradient titanium with high strength, strain hardening and toughness”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118674

图1. 纯Ti和OG-Ti的初始微结构。(a) 纯Ti和(b) OG-Ti的SEM图像。(c) 纯Ti和(d) OG-Ti变形前的TEM图像。

图2.充氧纯钛的硬度和拉伸行为。(a)横截面充氧纯钛的硬度分布。(b) 不同充氧条件下纯钛的工程应力-应变曲线。(c) 五种类型样品的拉伸真实应力-应变曲线和加工硬化率（虚线）。(d) 五种类型样品的屈服应力和韧性的比较。韧性是指包括缩颈部分在内的真应力-应变曲线下的面积。

图3. OG-Ti在拉伸断裂后的表面裂纹的特征。(a) OG-Ti的工程应力-应变曲线，显示出刚屈服后的小的应变突变。(b)-(d) 拉伸试验后OG-Ti横向表面的裂缝。(d)放大的图像显示(b)中用红框标记的区域。

图4. OG-Ti拉伸断裂后的逆极图（IPF）和带状对比图。(a), (b) 氧梯度区域的显微结构。(c)-(f) 孪生区的显微结构。

图5. 拉伸变形后Ti-0.3O中的典型位错结构（在OG-Ti中从样品表面100μm处切割的薄箔）。(a), (b) TEM图像显示沿(0002)平面的高密度的位错结构。(b)在位错运动中形成的一些扭结。(c) 障碍物处的位错堆积。(d)-(f) 高密度位错沿(0111)和(0002)平面排列。在(e)和(f)中观察到弯曲的位错和短直的位错。

图6. 氧溶质和位错之间的动态相互作用。(a)纯钛，(b)Ti-0.1O和(c)Ti-0.3O薄片的实时压缩变形行为显示了不同的位错移动性和独特的滑移系统。

图7. 不同氧浓度的α-钛的间隙位点和滑移系统的示意图。随着氧浓度的增加，氧间隙位点从八面体位点转变为四面体位点。同时，位错滑移系统从棱柱形过渡到金字塔形和基底滑移平面

图8.极限拉伸强度与均匀伸长率。还绘制了不同氧溶质和超晶粒Ti的纯Ti的拉伸性能进行比较。SPD是严重塑性变形的缩写，Ti-O是含氧溶质的Ti的缩写。

独特的氧梯度赋予了Ti强度-韧性的协同作用，拥有超硬、强化和增强应变硬化能力的特殊组合，几乎没有牺牲均匀延展性。在变形结构和原位纳米力学测试的支持下，提出了纯钛中氧梯度引起的基本机制。变形孪晶的激活和滑移系统的过渡使OG-Ti具有不均匀的塑性。随着氧浓度的增加，滑移系统的过渡被确定为从普通的棱柱面到不寻常的一阶金字塔面，然后到奇特的基底面和二阶金字塔面。氧原子在四面体位置的定位极大地损害了棱柱面的位错滑移，这使得基底面滑移成为最有利的滑移。这项研究加深了对氧和纯钛之间关系的理解，最重要的是，提出了一种简单而有效的方法来调整氧的空间分布，这为加工高性能生物医学钛和钛合金提供了新的视角。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。