走进科学
研究揭示了纯钛的低温变形机制
钛(Ti)因其杰出的性能被誉为神奇金属，在航空航天、海洋和生物医药等领域有着广泛应用。由于其低密度、高强度、高延展性、出色的耐腐蚀性和优秀的生物相容性，钛及其合金的结构变形机制在室温条件下一直受到众多研究人员的广泛关注。
最近，研究人员将注意力集中在低温(液氮温度<77K)下研究钛及其合金的变形机制。
钛及其合金通过不同的机制发生变形，其中包括位错滑移，即金属晶粒互相滑动，以及“变形孪晶”，即晶粒在共同晶界周围对称排列。晶粒是结晶材料中的一个明确定义的区域，由以特定一致方式排列的原子组成。钛合金中变形孪晶的产生取决于初始结构、应变速率、变形温度和晶粒尺寸。
研究表明，孪晶可以改善材料的力学性能。此外，商用纯钛(CP-Ti)在低温下的变形已被证明会触发变形孪晶，显著提高其强度和延展性。然而，对于不同变形机制和晶粒尺寸对CP-Ti在低温下强度的确切影响尚未被充分理解。
为填补这一空白，中国的一个研究小组，由南京理工大学的Cai Chen助理教授和Ji-zi Liu博士领导，研究了CP-Ti在室温和液氮温度下(LNT)的力学性能和孪晶行为。
“研究CP-Ti及其合金在低温下的变形行为对于开发新的控制过程以提高其强度和延展性是有益的，”Chen博士解释道。他们的论文发表在《中国有色金属学报》上。
利用扫描电子背散射衍射和透射电子显微镜等先进技术，研究人员在两种温度下研究了CP-Ti样品在单轴加载下的微观结构和位错变化。他们研究了塑性硬化行为、孪晶诱导的晶粒破碎、纹理转变以及样品的塑性。
研究实验揭示，在低温下再结晶样品的变形表现出比在室温下更出色的强度和延展性的综合特性。此外，两种温度下晶粒尺寸最小的样品显示出最高的屈服强度。
在室温下，位错滑移被确认为主要的变形机制，而在低温下，变形孪晶变得更加突出。这一变形机制的转变成为低温下观察到的出色力学性能的主要因素。此外，该团队还提出了一个考虑到低温效应的修正Hall-Petch关系，以解释强化机制。
Liu博士说：“该研究结果为在低温下六角形金属的变形过程提供了重要见解。这可以促进改进金属控制和设计的过程，使其能够在极端条件下使用。”
总的来说，这项研究增进了我们对钛等金属的微观结构和变形机制的理解，并为开发更强韧的金属铺平了道路。