高纯钛形变孪生的热力学实验研究：揭示低温与室温下早期孪晶演化机制及其对晶体塑性模型的启示

本综述通过高分辨率电子背散射衍射（EBSD）技术，系统研究了高纯钛在室温（23°C）与低温（-45°C至-60°C）条件下的形变孪生行为。研究揭示低温环境下新孪晶形核占主导，而室温下孪晶增厚更为显著，同时发现Basinski型硬化对早期硬化阶段具有重要影响。该工作为钛合金晶体塑性模型提供了关键验证数据，对航空航天与生物植入材料设计具有重要指导意义。

　　

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Methodology

我们购自密歇根金属与制造公司（Michigan Metals & Manufacturing, Inc.）的高纯度多晶钛（99.99%）半英寸直径棒材。通过切割制备直径约0.5英寸、高度约0.75英寸的圆柱试样，用于简单压缩实验。实验目标之一是通过退火在样品内培育大晶粒，以方便形变孪生研究与模拟关联。由于钛在882°C发生α（HCP）向β（BCC）相变，我们设计了特定退火流程以控制晶粒生长。

Large strain experiments

我们进行了真应变达0.4的简单压缩实验，以捕捉材料的整体应力-应变与温度响应。实验主要在室温下以0.001、0.01和1 s^?1的真应变率进行。每个应变率测试三个样本。应力-应变数据与热电偶温度数据分别绘制于图2（图未显示）。仅绘制1 s^?1应变率的一条温度曲线，因该应变率下热电偶在实验后期失效。

Discussion

分析3.1节大应变实验结果，图2(a)室温应力-应变曲线显示流动应力随应变率增加而上升，表现出正应变率敏感性，这与钛的多数研究一致（Gray, 1997等）。应力-应变曲线还显示显著应变硬化而无明显软化，这在钛塑性变形中常见。低温实验（图2(b)）表明流动应力高于室温，且应变硬化更显著，表明低温下孪生活动增强。

Conclusions

本研究通过高纯钛大晶粒样品在室温（23°C）与低温（-45°C至-60°C）下的单轴压缩实验，得出以下结论：

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  钛中孪晶面积分数随应变增加而升高，但室温与低温机制迥异：低温下新孪晶形核主导，室温下孪晶增厚为主。

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  Basinski型硬化对早期硬化阶段影响显著。

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  有证据表明低温下更多孪晶在晶粒内部而非晶界形核。

  这些结果为高纯钛形变孪生的晶体塑性模型提供了物理见解与验证数据。