在双相钛合金的绝热剪切初期阶段，变形诱导的α′′和ω相变机制以及位错动力学

《Journal of Alloys and Compounds》：Deformation-induced α′′ and ω transition mechanisms and dislocation dynamics in the early stages of adiabatic shearing of a dual-phase titanium alloy

双相钛合金绝热剪切带纳米结构演化及动态回复主导机制研究揭示中心区需950K以上温度升高，位错密度达101?m?2，变形机制包括α''/ω相变、ENTWs/CNTWs形成及 DRV主导的再结晶。

　　在高应变率加载条件下，钛合金材料表现出复杂的变形行为，其中一种典型现象是绝热剪切带（Adiabatic Shear Band, ASB）的形成。ASB 是一种局部化的塑性变形区域，通常出现在材料受到极端载荷时，例如高速切削、弹道冲击、爆炸成形等场景中。这种现象不仅影响材料的力学性能，还可能导致材料的早期失效。因此，深入理解 ASB 的形成机制及其对材料性能的影响，对于开发新型高性能钛合金具有重要意义。本研究聚焦于 A503 双相钛合金，在 1.7×103 s?1 的应变率下，通过多种先进的表征技术，对 ASB 的形成过程进行了系统分析，旨在揭示变形诱导的 α″ 和 ω 纳米结构、微观结构转变以及位错动力学在剪切不稳定区域损伤形成中的作用。

ASB 的形成与材料在高应变率下的热力学行为密切相关。在高速变形过程中，由于热量来不及有效散发，材料内部温度迅速升高，从而引发局部的热软化效应。这种温度的急剧上升不仅改变了材料的微观结构，还可能促进某些相变过程。例如，在 A503 合金中，当受到 20% 应变时，ASB 区域表现出显著的变形诱导相变路径，即从 β 相通过 α″ 相过渡到 α 相，同时 β 相也可以通过 ω 相进一步转变到 α 相。这些相变过程不仅影响材料的强度和韧性，还对 ASB 的形成和演化起着关键作用。

在 ASB 的不同区域，材料的微观结构表现出明显的差异。在 ASB 的过渡区域，观察到拉长的变形晶粒和超细晶粒的存在。这些晶粒的形成通常与局部的塑性变形和热软化有关，表明该区域的材料经历了较大的应变和温度变化。而在 ASB 的中心区域，材料则呈现出类似板状的晶粒结构，这些晶粒被识别为 {101?2} 扩展纳米孪晶（Extension Nano-Twins, ENTWs）以及 {101?1}、{112?1} 和 {112?4} 收缩纳米孪晶（Contraction Nano-Twins, CNTWs）。纳米孪晶的形成通常与位错的重新排列和局部剪切变形有关，它们在材料中起到稳定结构、抑制裂纹扩展的作用。然而，纳米孪晶的形成也可能是剪切不稳定性的表现，因此需要进一步研究其对材料整体性能的影响。

研究中采用的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）结合快速傅里叶变换（FFT）和逆快速傅里叶变换（IFFT）技术，能够对 ASB 区域的微观结构进行高精度分析。通过这些技术，研究人员能够观察到材料内部的位错分布、晶界特征以及相变过程中的结构演变。此外，微区 X 射线衍射（μ-XRD）技术也被用于分析 ASB 区域的晶体学特征，揭示了材料在不同变形阶段的滑移系统和孪晶机制。这些实验手段为研究 ASB 的形成提供了重要的数据支持，有助于理解其在不同应变率下的行为。

在应变率较高的情况下，如 1.7×103 s?1，材料的变形机制变得更加复杂。研究表明，此时的动态塑性行为主要由 和 滑移系统以及孪晶机制共同驱动。其中， 滑移系统在低温下更为活跃，而 滑移系统则在高温下表现出更强的变形能力。这种滑移系统的切换不仅影响材料的变形模式，还可能改变其断裂行为。同时，研究发现，变形诱导的位错密度在 ASB 区域显著增加，达到了约 1.03×101? m?2 的水平。位错密度的增加意味着材料内部的塑性变形更加集中，可能导致局部的软化和损伤积累。

动态再结晶（Dynamic Recrystallization, DRX）和动态回复（Dynamic Recovery, DRV）是两种重要的微观结构演化机制，它们在高应变率变形过程中起着关键作用。DRX 通常被认为是在高温和高应变条件下，通过晶界迁移形成新的等轴晶粒，从而实现材料的软化。然而，本研究发现，在 ASB 的中心区域，动态回复机制比动态再结晶更为显著。这意味着，在高应变率下，材料的再结晶过程可能受到时间限制，而位错的重新排列和晶粒的细化则成为主要的结构演化方式。这一发现对于理解 ASB 的形成机制具有重要意义，因为它表明在某些条件下，DRV 可能是主导的微观结构演变机制。

此外，研究还揭示了在高应变率加载下，材料内部的相变过程对 ASB 的形成和演化起到了关键作用。β 相在高温下发生相变，生成 α″ 和 ω 相，这些相在局部区域进一步转变为 α 相。相变过程伴随着晶格结构的变化，从而影响材料的力学性能。例如，α″ 相的形成可能促进晶粒的细化，而 ω 相的出现则可能增强材料的强度和韧性。然而，这些相变过程的动态行为仍然存在许多未知之处，需要进一步的实验和理论研究来阐明。

为了更准确地评估 ASB 区域的温度变化及其对材料性能的影响，研究采用了一种基于热力学和动力学的计算方法。该方法考虑了材料在变形过程中产生的热量以及其与环境的热交换情况，从而预测 ASB 区域的温度升高。结果表明，尽管 β 相在高温下可能发生相变，但 ASB 中心区域的瞬时晶粒细化需要更高的温度条件，即 950 K（约为 49% 的熔点温度）。这一温度远高于通常认为的 DRX 激活温度（719 K，约为 37% 的熔点温度），表明 DRV 在该区域的主导地位。这一发现对设计具有抗 ASB 能力的钛合金材料具有重要指导意义，因为它表明在某些情况下，晶粒的细化主要依赖于位错的动态行为，而非传统的再结晶机制。

在实际应用中，钛合金因其优异的强度-重量比和良好的机械性能而被广泛应用于航空航天、能源、汽车和生物医学等领域。然而，在极端服役条件下，如高速冲击或高温高压环境，钛合金的性能可能会受到 ASB 的影响。因此，开发能够有效抑制 ASB 形成的新型钛合金材料成为当前研究的热点。本研究通过系统分析 A503 合金在高应变率下的变形行为，揭示了 ASB 形成的微观机制，包括纳米结构的演变、滑移系统的激活以及位错动力学的变化。这些发现不仅有助于理解钛合金在极端条件下的力学行为，还为设计具有抗 ASB 能力的新型钛合金提供了理论基础。

值得注意的是，尽管 DRX 通常被认为是 ASB 形成的主要机制，但本研究的结果表明，在某些情况下，DRV 可能更有效。这一结论可能对传统的材料设计理论产生挑战，因为通常认为 DRX 是实现晶粒细化和材料软化的关键途径。然而，本研究通过实验和计算方法的结合，证明了在高应变率条件下，材料的晶粒细化主要依赖于位错的动态行为，而非晶界迁移。这一发现可能对钛合金的加工工艺和材料设计产生深远影响，因为传统的再结晶控制方法可能需要重新评估。

此外，研究还发现，ASB 的形成与材料内部的微结构演化密切相关。例如，变形诱导的纳米孪晶在 ASB 区域的出现可能与局部的高温和快速剪切变形有关。这些纳米孪晶的形成不仅影响材料的强度和韧性，还可能改变其塑性变形模式。通过分析这些纳米结构的分布和演化，研究人员能够更深入地理解 ASB 的形成机制，并为优化材料性能提供新的思路。

在实际应用中，钛合金的加工和使用环境往往涉及复杂的应变率条件。例如，在航空航天领域，材料可能需要承受高速飞行时的冲击载荷；在汽车制造中，材料可能需要在高温和高压下进行加工。因此，理解钛合金在不同应变率下的变形行为，对于优化其加工工艺和提高其在极端条件下的服役性能至关重要。本研究通过实验和理论分析，揭示了钛合金在高应变率下的变形机制，为相关领域的研究提供了新的视角。

最后，本研究的成果不仅限于理论分析，还具有重要的工程应用价值。通过揭示 ASB 形成的微观机制，研究人员能够为设计抗 ASB 的钛合金材料提供科学依据。例如，可以通过调控材料的化学成分、微观结构和加工工艺，优化其在高应变率下的变形行为，从而提高其在极端条件下的耐久性和可靠性。此外，这些研究成果还可以应用于其他金属材料的研究，为材料科学的发展提供借鉴。总之，本研究为钛合金在高应变率条件下的性能优化和工程应用提供了重要的理论支持和实践指导。