人类在结构材料领域的研究始终离不开的一个核心问题就是如何在保持高强度的同时维持高的塑性。Fe作为常见合金化元素，研究人员发现其能够改变晶体结构稳定性与堆垛层错能（SFE），而微量的B元素则被广泛认为对晶界结构与界面结合具有重要影响。然而，在真实加载条件下，Fe与微量的B如何协同影响位错活动、晶界响应及变形模式演化，仍缺乏直接的原位实验证据。

2025年12月，浙江大学联合北京工业大学与山东东大新材料研究院有限公司在材料领域的国际期刊《Materials & Design》上发表题为“In-situ tensile study ofFeand traceBeffects on deformation behavior and strengthening mechanisms in LDED-fabricated Ti-6Al-4V alloys”的研究论文。该工作通过原位拉伸-SEM/EBSD/TEM联用表征手段，系统揭示了Fe含量变化及微量B添加对合金显微组织演化、位错行为以及宏观力学响应的协同调控机制，为高强-高塑性合金的成分设计与机制理解提供了新的实验依据。通讯作者为浙江大学魏晓副教授和张泽院士。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.115043

【核心内容】

在这项研究中，团队通过合金化与界面结构协同调控，实现增材制造Ti-6Al-4V合金强度与延性的同步提升，发现Fe通过稳定β相并诱导显著晶粒与α片层细化，而微量B以原位TiB形式构建了高度稳定的界面非均质结构，位错在变形早期即可与TiB发生绕过或穿透作用，在界面附近形成高密度位错塞积并诱导渐进式TiB断裂，而非早期脆性失效。该受控的位错-界面相互作用显著延缓了应变局域化并维持高应变硬化能力，使合金在强度提升的同时保持稳定塑性。

图形摘要

【研究方法】

研究以球形Ti64粉、粒度为50~150μm的Fe粉和粒度为100nm的B粉为原料，通过激光能量沉积（LDED）工艺制备了Ti64、Ti-6Al-4V-3Fe（Ti643）及Ti-6Al-4V-3Fe-0.05B（Ti643B）合金，随后采用原位拉伸技术，在加载过程中实时观察材料的显微组织与变形行为演化，结合SEM、EBSD与TEM等多尺度表征手段，对晶粒取向变化、位错累积、形变局域化以及裂纹萌生行为进行了系统分析。

LDED制备工艺及样品示意图

【研究成果】

① 重构塑性变形的空间分布特征

Fe的引入改变了合金的初始组织特征，随着Fe含量提高，合金晶粒尺寸明显细化，晶粒取向分布更加均匀，晶界密度增加，这种组织演化在拉伸变形过程中起到了关键作用，高Fe合金内部应变分布更加均匀，变形不再集中于少数晶粒或局部区域，从而有效抑制了早期应变局域化与多点颈缩行为的发生。

不同状态合金的力学性能曲线及与其他材料的比较

Ti64、Ti643和Ti643B合金的微观结构特征

微观结构特征的统计分析

② 微量B抑制裂纹萌生与扩展

在已经通过Fe细化组织的基础上，再加入微量B，能够进一步调控了晶界与界面行为。Ti643B合金中更倾向于延迟萌生裂纹，且裂纹的扩展路径更加曲折，B元素通过改善晶界结合状态，提高了晶界对位错塞积与局部应力集中的承载能力，从而显著削弱了晶界处的脆性失效倾向，使材料整体断裂模式向更加稳定的穿晶断裂转变。

Ti64、Ti643和Ti643B合金的TEM图像及EDS分析

Ti64、Ti643和Ti643B合金的断裂形貌对比

Ti64、Ti643和Ti643B合金的断裂模式示意图

③ Fe-B协同作用下的位错调控与变形机制转变

Ti643B合金在变形过程中，其内部表现出更连续的位错累积与滑移传递行为，位错在晶界与第二相附近生成得到了良好的调控，而非剧烈塞积。TEM结果进一步表明，Ti643B合金中稳定的界面结构与高密度位错网络共同维持了较高的加工硬化能力，使材料在高应变阶段仍能保持均匀塑性变形。

三种合金的拉伸曲线

Ti643B合金的原位拉伸变形过程及应变分布

Ti643B合金中TiB相的变形演化

TiB相及界面的高分辨率TEM分析

【总结与展望】

该研究通过原位拉伸手段，首次系统揭示了Fe与微量B在真实加载条件下对合金变形行为的协同调控机制，研究结果不仅深化了对微量元素调控塑性变形机理的理解，也为高强-高塑合金的成分设计提供了明确的实验指导，对工程结构材料的优化设计具有重要参考价值。