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亞穩工程，即利用相變/孿晶誘發塑性(TRIP/TWIP)，通過動態Hall-Petch效應顯著提高亞穩態合金的加工硬化率，從而平衡材料的強度-延/韌性矛盾。然而， TRIP/TWIP效應通常具有較低的臨界啟動應力，導致合金展現出極低的屈服強度，從而限制了此類合金進一步的工程應用。通常，強化亞穩態合金有以下兩種典型的方法。一是通過提高相穩定性來調整變形機制，使其從TRIP轉變為TWIP，甚至轉變為常規的位錯塑性(ODP)；然而，在不改變合金成分的情況下，這一策略無法調控TRIP/TWIP和ODP的激活順序。二是構建異質結構，通過晶界、異質層界面和/或析出相的空間分布和約束效應來控制馬氏體、孿晶等塑性載體的活動，其中異質疊層設計能夠有效地結合穩態硬相組元ODP和亞穩態軟相組元TRIP/TWIP從而高效地強化材料。然而，如何大幅度提升亞穩態合金TRIP/TWIP的啟動應力以提升材料的屈服強度，并在基體中實現變形機制啟動順序的精準控制，目前仍然是單相亞穩態合金設計所面臨的挑戰。
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自主設計了Ti-1Al-8.5Mo-2.8Cr-2.7Zr (wt%)亞穩鈦合金，提出了一種與眾不同的結構設計策略，即少量的多形態硬質-塑性α納米析出相分布于亞穩態軟相β基體的新型異質疊層結構，明顯不同于以往大量的亞穩態軟相鑲嵌在硬相基體中的層狀化設計。這種獨特的納米析出相與層狀化設計相結合的微觀組織優勢在于：疊層結構極大的提升了亞穩態β基體的馬氏體相變啟動應力，使得原本在高應力下啟動的位錯滑移機制在低應變下得以出現，從而顯著提升了合金的屈服強度，同時持續提高的加工硬化能力和應力水平使得馬氏體相變又能夠在高應變下發生，成功實現了ODP與TRIP在塑性變形過程中的“無縫銜接”（圖1）。團隊采用循環熱軋和短時固溶工藝克服了亞穩態β鈦合金晶粒易粗化的弊端，通過改變循環次數，實現了納米析出相晶內與界面的雙態分布和軟相β層厚（0.3~3.2μm）的靈活控制，使得變形機制在臨界層厚尺寸~0.8μm發生轉變。合金中硬質-塑性α納米析出相不僅作為強化相用來提升材料的強度，還作為應力集中源在高應力下激活亞穩態基體的馬氏體相變實現TRIP效應增加延性，同時在變形后期這些納米析出相可觸發界面分層增韌機制以增加材料的斷裂韌性。因此，通過調控基體層厚尺寸與硬質-塑性納米析出相的分布，精準控制了TRIP和ODP的啟動次序，即在變形初始的低應變下首先激活ODP，并在隨后的大應變下激活TRIP，實現了亞穩鈦合金形變-相變機制的協同耦合作用，使合金屈服強度提升一倍而不損失其均勻塑性（圖2）。團隊提出的新型異質疊層結構設計策略為開發高性能亞穩態β鈦合金提供了一種有效的范例，并為設計先進鈦合金和其它具有類似特性的金屬結構材料提供了新的思路。
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