超细晶钛在低温高应变率下的增韧行为研究

在低温条件下，常规金属材料往往会由于塑性的下降而导致其抗冲击能力与室温相比大大降低；而近期研究表明，纳米/超细晶金属材料表现出与常规材料不同的力学行为：它们在低温或者高应变率条件下的强度与塑性都同时得到了提高，这将有可能使之成为理想的应用于低温环境的抗冲击材料。本项目将以工程中应用广泛而基础科学研究较少的HCP结构金属超细晶钛为对象，对其在低温、高应变率及其耦合作用下的力学行为进行基础科学研究。具体内容包括：测试超细晶钛在不同温度、不同应变率，尤其是低温、高应变率下的力学性能；分析其力学性能对温度及应变率的依赖关系；明确其在不同加载条件下的变形和破坏模式，初步揭示其在低温下的增韧机制。本项目的研究成果将为超细晶钛在低温下的应用提供科学依据，同时对理解其它HCP结构超细晶材料的冲击响应特性有重要价值。

根据计划书要求，本课题针对工业纯钛开展研究。首先利用ECAP方法制备了超细晶钛，进而对其进行了微观组织分析，之后开展了一系列力学性能测试工作，包括显微硬度测试、准静态/动态压缩力学性能测试和不同温度下的准静态/动态拉伸力学性能测试，着重研究了在低温和高应变率下超细晶钛的拉伸力学行为，研究了其破坏机理和变形机制。主要研究内容和成果包括：（1）提出了一种铜包裹钛的ECAP方法，成功地在室温下制备出了超细晶钛，微观分析表明其晶粒尺寸达到500nm，平均晶粒尺寸约为800nm；（2）对ECAP过程中纯钛的微观组织演化进行了深入分析，发现晶粒细化是位错运动、孪晶以及大剪切应变共同作用的结果；（3）对粗晶钛和超细晶钛的力学性能进行了系统测试，得到了其在室温下的准静态/动态压缩性能以及温度范围77K～473K、应变率范围2×10-4～3×103s-1内的拉伸力学性能；（4）分析了超细晶钛的破坏模式和变形机制，发现在不同温度下其变形机制也不相同。变形的产生往往是多个因素共同作用的结果。即使ECAP后钛的晶粒尺寸已大大减小，其在高温下拉伸变形中的主要变形机制仍然是位错滑移。在低温下，孪晶和位错密度的增大在变形过程中起到了主导作用。对于超细晶钛来说，随着温度的升高，位错与晶界的相互作用在变形中所起的作用逐渐增大。