α钛及钛合金在高应变速率下的孪生行为及机理研究

Twinning is an important plastic deformation mechanism in α titanium, it has a profound effect on the instability (adiabatic shear band) during the high-strain-rate deformation process. To identify the effect is whether promoting or suppressing and the influencing factors to the critical condition of twinning nucleation, the present project will investigate pure titanium with unified grain orientation and a series of Ti alloy with different Al content. Systematic mechanical experiments will be conducted by quasi-static compression, slip Hopkinson pressure bar and Gleeble thermal simulation to study the twinning behavior of α titanium under different strain rates and temperatures. Based on the results of mechanical tests and the observation of deformed microstructure, the microscopic evolution process, including vacancy, dislocation movement and twinning, will be simulated by a molecular dynamic method using LAMMPS. This study will reveal the physical nature of plastic deformation process at high strain rates and investigate the possible influencing factors and mechanism, as a result provide further instruction on developing titanium alloy with superior dynamic mechanical performance.

孪生是α型钛合金中一种十分常见的塑性变形机制，对高应变速率下因塑性变形失稳而形成的绝热剪切带起到了不可忽视甚至决定性的作用。为了明确α型钛合金在高应变速率变形过程中孪生对绝热剪切带萌生的促进或者抑制作用，并确定孪晶形核的临界条件和影响因素，本项目选择具有统一晶粒取向的纯钛和一系列Ti-(1-6)Al钛合金作为研究对象，通过万能试验机准静态压缩、分离式霍普金森压杆动态压缩和Gleeble热模拟试验机对变形温度和应变速率进行控制，并计算不同变形条件下的孪生临界分切应力，从而确定应变速率、变形温度和溶质原子Al对α型钛合孪生行为的影响。在力学性能测试和变形组织显微观察的基础上，本研究将利用LAMMPS分子动力学模拟纯钛在冲击载荷作用下的微观组织（空位、位错和孪生）演化过程，从微观角度探讨高应变速率下塑性变形的物理本质以及各影响因素的作用机制，为开发高动态性能钛合金提供思路和方向。

随着装甲与反装甲武器系统减重需求的日益增长，以及材料动态性能测试方法的完善和普及，越来越多的研究人员开始关注钛合金的动态性能和动态变形行为。本项目重点关注α型钛合金的动态变形行为，主要包括孪生行为、动态剪切变形失稳现象和相关影响因素分析。.首先，分析了α钛合金的孪生行为，利用EBSD分析技术研究发现Gr.2工业纯钛中孪晶的类型与晶粒基体受压应力时的晶体取向有关。为解释此相关性本研究引入了“孪生Schmid因子”，并通过在α钛的HCP单胞中定义三维球坐标系计算出上述三类孪生的Schmid因子分布图。将计算结果与EBSD标定出的孪晶类型和晶粒基体欧拉角相结合，证明了孪生Schmid因子是决定孪生系开动与否的重要参数。此外，单晶纯钛压缩实验表明一种孪生类型对应的六个孪生变体中Schmid因子最大的孪生变体优先开动。.然后，为了分析α钛合金的动态剪切变形失稳现象，本研究将Johnson-Cook本构方程与绝热温升方程耦合在一起计算出了应变速率在10/S至10000/S范围内的绝热剪切应力-应变曲线。计算结果符合实验结果，说明本研究提出的计算方法能够合理地描述动态剪切过程，适用于分析α钛合金动态剪切失稳的临界条件。在此基础上，通过单独调整计算过程中涉及的Johnson-Cook参数和热转换系数β分析了材料本征特性对动态剪切失稳临界条件的影响，发现提高应变硬化系数B、热软化系数m和热导率是降低α钛合金绝热剪切倾向性的有效途径。.最后，以具有等轴组织特征的Ti-xAl(x=2,4,6)合金为研究对象，利用上述总结出的动态性能测试方法、变形组织观察方法和数据处理方法，探讨了Al含量对α钛合金动态性能和变形行为的影响。同时，以具有不同晶粒尺寸(32μm、119μm、336μm、587μm)和明显织构特征的多晶纯钛为研究对象，探讨了等轴晶粒尺寸和加载方向对α钛动态性能的影响。.本研究对于深入理解α型钛合金的孪生行为，进一步揭示孪晶形成规律及条件具有一定科学意义。在此基础上，若能够通过制备纳米孪晶强化钛合金，则对新型结构钛合金的开发起到推动作用。