中仿JMatPro助力高氧α-β钛合金设计：Nature Communications发表强度-塑性协同新突破

钛合金以高比强度、优异的耐蚀性和生物相容性著称，但"强度与塑性不可兼得"始终是其设计的核心矛盾。尤其是氧元素——它既是最有效的固溶强化元素，又被公认为诱发钛合金脆化的"元凶"，传统牌号通常将其含量严格限制在 0.2 wt.% 以下。如何在充分利用氧的强化效果的同时保住塑性，是 α-β 钛合金领域长期悬而未决的难题。

2025 年 12 月，西北工业大学凝固技术国家重点实验室联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）增材制造中心、日本大阪大学接合科学研究所与澳大利亚悉尼大学，在《Nature Communications》发表研究：借助中仿 JMatPro 设计工具，通过"高氧激活锥面滑移 + β 相中介跨界面位错传递"的双重策略，在成分简单的 Ti-0.45O-4Fe 合金上，实现 980 MPa 屈服强度下 14% 均匀延伸率、27% 总延伸率的纪录级性能，把"氧脆"逆转为"氧强化"，为低成本、可回收钛合金的开发开辟了新路径。

01  反向设计：让氧从"杀手"变成"帮手"

传统钛合金设计中，氧被视为必须避开的杂质：它强烈固溶强化 α 相，却几乎不贡献塑性。作者提出了截然相反的设计逻辑——既然高氧能显著降低 α 相中 {11-22} 锥面滑移的激活难度，就主动利用高氧（≥0.40%）把最难启动的锥面滑移"唤醒"，让氧成为塑性的"帮手"。

但仅靠激活锥面滑移还不够：等轴 α 组织中的高角 α-α 晶界会像"墙"一样阻挡位错传递。为此，作者引入 β 相作为"中介"：设计共格的 α-β 片层界面，使位错能够跨界面持续滑移，实现长程塑性协调。

02  JMatPro 先行：4% Fe 定出"20 vol.% β 相"

设计的关键一步，是确定 β 相的"剂量"。研究人员选择了铁（Fe）作为 β 稳定元素：它是性价比最高的 β 稳定剂，且激光增材制造允许高 Fe 合金化而不产生 β 斑缺陷。但 Fe 加多少才合适？

研究团队用 JMatPro 计算了 Ti-0.45O-xFe（x = 3%–5%）系从 950 °C（β 单相区以上）以 0.5 °C/s 冷却至 25 °C 的 β 相分数演化：Fe 含量为 4% 时，室温 β 相分数被预测为 20.1 vol.%，与设计目标 20% 精确吻合。由此锁定合金成分为 Ti-0.45O-4Fe——一个只含氧、铁两种廉价元素的简单成分。

JMatPro 还提供了另外两项关键设计参数：一是 β 转变温度预测为 910 °C，据此把退火窗口设定在 600–900 °C（高于转变温度将得到粗大魏氏组织）；二是利用凝固模块计算氧、铁在 α/β 两相间的平衡分配——β 相几乎不含氧（800 °C 时仅 0.001%），氧因此富集于 α 相至约 0.58%，铁则主要存在于 β 相（约 14%），与后续 APT、EDS 实验观察高度一致。

03  L-PBF 增材制造：等轴 β 晶粒 + 纳米 α-β 片层

成分确定后，组织控制交给激光粉末床熔融（L-PBF）。凭借 10⁵–10⁷ °C/s 的极快冷却，L-PBF 打印出的 Ti-0.45O-4Fe 获得平均仅 28 ± 15 μm 的等轴先 β 晶粒——据作者文献调研，这是块体 α-β 钛合金中报道过的最小值；晶内则是 87 ± 24 nm 的超细 α-β 片层。

打印态组织还需"精修"：800 °C × 1 h 退火消除了亚稳 ω 相、降低了初始位错密度，并让 α-β 片层粗化至 2.43 ± 0.44 μm，同时保持 Burgers 取向关系下的共格界面，为后续位错跨界面传递准备好"通道"。

04  性能突破：980 MPa 屈服强度 + 14% 均匀延伸率

力学性能测试给出了令人瞩目的结果：800 °C × 1 h 退火态下，Ti-0.45O-4Fe 达到屈服强度大于 980 MPa、均匀延伸率 14 ± 0.3%、总延伸率 27 ± 1.4%。作者对文献的系统调研证实：此前没有任何钛合金——无论成分与工艺——能在屈服强度不低于 900 MPa（甚至不低于 800 MPa）下实现不低于 14% 的均匀延伸率，这是钛合金强度-塑性协同的纪录级突破。

把氧、铁含量分别提高到 0.5% 和 5% 后（Ti-0.5O-5Fe），屈服强度进一步升至不低于 1075 MPa，均匀延伸率仍保持 13.2%。作为对照，同成分铸锭 + 锻造路线只能获得不高于 3% 的均匀延伸率——增材制造与成分设计的协同价值由此可见。

05  机制解码：高氧激活锥面滑移，β 相中介传递位错

原位 EBSD 拉伸试验揭示了优异塑性的微观根源：变形过程中，{11-22} 锥面滑移占激活滑移系的 52%，成为主导机制；高氧含量（α 相约 0.58% O）将基面滑移压制到仅 4%，正是氧"倒逼"塑性滑移系启动的直接证据。

更关键的是位错的跨界面行为：滑移带可连续穿越 4–10 个 α-β 界面，57% 的滑移传递事件由滑移介导，界面几何相容因子 m′ 高达 0.8–1.0。共格界面上的位错增殖与传递，使应变硬化率高达 1200–2000 MPa，与高塑性 7xxx 铝合金和先进高强钢相当——这正是高强钛合金罕见"高均匀延伸率"的力学根源。

06  结语

一个成分简单到只有钛、氧、铁三种元素的合金，借助 JMatPro 在实验之前计算"相分数、转变温度、元素分配"，再用增材制造把组织精确"做"出来，最终改写了钛合金强度-塑性关系图谱。

07  参考文献

1. Yang Y, Wang X, Chen B, et al. Oxygen-mediated high uniform plasticity in α-β titanium alloys[J]. Nature Communications, 2025, 16: 10833.

08  关于 JMatPro

JMatPro 软件包含一系列宽范围的合金类型，目前可以计算的合金类型包含铝合金、镁合金、铸铁、不锈钢、高中低合金钢、钴合金、镍基合金、镍铁基合金、镍基单晶超合金、钛合金、锆合金、焊料合金（锡焊）、铜合金。JMatPro 的应用范围：

1. 可为热力学计算等基础研究提供参考；

2. 辅助科研人员进行合金设计；

3. 辅助科研人员进行材料加工工艺设计（如铸造、锻造、挤压等）；

4. 辅助科研人员进行热处理与焊接工艺设计；

5. 预测材料各种性能，从而可以大量节省项目时间与实验费用（尤其是高温性能）；

6. 能为许多材料成型 CAE 软件提供材料性能参数（如 Procast、Magma、Deform、TherCast、Novacast 等）；

7. 能够为其他 CAE 软件提供材料性能参数（如 Sysweld、Abaqus、Ansys、MSC/Marc 等）；

8. 提供 FLOW 接口，利用程序语言调用软件完成计算，方便将软件计算功能与其他软件、应用进行整合；

9. 提供 MPO 材料优化设计，通过多目标优化算法，快速优化获得满足设计要求的材料成分。

09  关于 MatSimKit 系列软件

材料仿真工具（MatSimKit）是中仿面向金属材料领域用户推出的系列工具软件。软件以国际知名的金属材料热力学与性能计算软件 JMatPro 为核心，通过集成化手段，提供从材料相图分析、性能高通量预测，到铸造、成型、热处理、增材制造等工艺环节集成仿真的多种实用软件工具。

10  关于中仿

中仿是中国领先的仿真分析软件和系统解决方案提供者。公司依靠自主创新研发拥有自主知识产权的中仿 CAE 系列产品，同时与国内外最优秀的数值仿真技术研究机构和企业保持长期而紧密的合作关系，能够为中国企业和科研机构提供世界一流的仿真技术解决方案。

公司自主研发的 MatSimKit 系列软件，面向金属材料领域用户，以国际知名热力学计算软件 JMatPro 为核心，提供从高通量材料性能计算、数据管理分析到 AI 辅助设计的完整解决方案，服务铸造、热处理、热加工、焊接及增材制造等多个工业应用场景。公司坚持自主创新，持续提升核心竞争力，积累了深厚的创新研发能力，并形成了完备的服务体系。公司秉持让材料计算服务实际制造的理念，持续深耕材料仿真与工业软件领域，推动材料计算技术的工程化应用落地。