{10ˉ12}拉伸孪晶与{11ˉ22}压缩孪晶对钛中α→ω相变的调控机制研究

本研究通过热力学分析和分子动力学(MD)模拟，揭示了{10ˉ12}张力孪晶和{11ˉ22}压缩孪晶对HCP结构α-Ti向ω相转变的调控机制。研究发现两种孪晶均能促进非共带取向ω核的形成，其中{10ˉ12}孪晶更显著降低临界半径和活化能，而{11ˉ22}孪晶边界可阻止ω相生长，为钛合金相变控制提供了理论依据。

　　

钛及其合金作为重要的结构材料，其相变行为直接影响材料性能。在高压或应力条件下，六方密排(HCP)结构的α-Ti会转变为ω相，这种转变既可能增强材料强度，也可能导致脆性。然而，材料中普遍存在的孪晶网络如何影响这一转变过程，长期以来缺乏系统研究。特别是{10ˉ12}和{11ˉ22}两种常见孪晶对相变热力学和动力学的差异化影响机制尚不明确，这限制了通过微观结构设计调控材料性能的可能性。

美国能源部资助的研究团队通过多尺度研究方法，结合线性弹性理论模型和分子动力学(MD)模拟，首次系统阐明了预存孪晶对α→ω相变的调控规律。研究发现：从热力学角度看，{10ˉ12}张力孪晶和{11ˉ22}压缩孪晶都能促进非共带取向ω核在孪晶内部形成，其中{10ˉ12}孪晶使临界半径减小更显著，有效降低相变活化能；从动力学角度看，{11ˉ22}孪晶边界(CTB)能有效阻止ω相生长，而{10ˉ12}孪晶边界无此限制效应，揭示了短程边界钉扎的作用机制。该成果发表于《Scripta Materialia》，为钛合金微观结构设计提供了重要理论指导。

研究采用两项关键技术：1) 各向同性线性弹性微力学模型，用于计算孪晶应变场对ω核稳定性的影响；2) 分子动力学模拟，采用Los Alamos国家实验室计算资源，模拟温度300K下不同孪晶系统中的相变动力学过程。研究样本为纯钛单晶，通过人工引入{10ˉ12}和{11ˉ22}孪晶边界构建模型体系。

【热力学分析结果】

弹性模型计算表明：{10ˉ12}张力孪晶产生的应变场使ω核临界半径减小38%，而{11ˉ22}压缩孪晶减小21%。这种差异源于两种孪晶不同的应变张量特征，{10ˉ12}孪晶更有效降低相变能垒，促进ω核在孪晶内部优先形核。

【动力学模拟结果】

MD模拟显示：ω相在{10ˉ12}孪晶系统中可自由生长直至充满整个孪晶区域；而在{11ˉ22}孪晶系统中，生长中的ω相会被孪晶边界有效阻挡。这种差异证实{11ˉ22}CTB具有更强的界面钉扎效应，可能与其更高的界面能和特殊原子构型有关。

研究结论表明：预存孪晶网络通过应变场重分布和界面效应双重机制调控α→ω相变。{10ˉ12}孪晶主要影响形核阶段，而{11ˉ22}孪晶同时影响形核和生长动力学。该发现为通过孪晶工程控制钛合金相变提供了新思路——通过设计特定类型和取向的孪晶网络，可实现相变过程的精确调控，这对开发高强度、高韧性钛合金具有重要意义。研究还建立了孪晶特征参数与相变能垒的定量关系模型，为后续材料设计提供了预测工具。