β钛合金中孪生诱导塑性(TWIP)效应

Based on the previous research of our group, the twinning induced plasticity (TWIP) effect in the beta titanium alloys will be investigated theoretically and experimentally. The main focus will be placed on the theoretical expression of {112}<111> and {332}<113> mechanical twinnability, the relationship between mechanical twinnability and defect properties of the alloys. The key factors which govern the TWIP effect and the influences of the TWIP effect on the macro mechanical properties of the alloys will be further investigated. It is believed that similar to the TWIP austenitic steel, the TWIP beta titanium alloys plastically deform mainly by mechanical twinning and thus, have very high toughness. Therefore, the fundamental research on the high toughness beta-type titanium alloys with TWIP effect is of very scientific value. Meanwhile, this kind of high toughness beta-type titanium alloys with TWIP effect have very important engineering applications.

在项目组前期工作基础上，本项目提出开展β钛合金中孪生诱导塑性(Twinning induced plasticity_TWIP)效应的若干关键科学问题的理论与实验研究。项目主要研究体心立方结构β钛合金机械孪生能力(Twinnability)的理论表达，建立β钛合金中{112}<111>与{332}<113>机械孪生能力与合金缺陷性质之间的关系，并进一步研究影响β钛合金中TWIP效应的关键因素、以及TWIP效应对β钛合金宏观力学性能的影响规律，为发展具有TWIP效应的β钛合金提供理论与实验依据。可以预期与目前已经应用的具有TWIP效应的奥氏体钢类似，具有TWIP效应的β钛合金主要以机械孪生方式进行塑性变形，也会有很高的强韧性。因此，在体心立方结构的β钛合金中实现TWIP效应不仅有重要的学术意义，同时这种基于TWIP效应的高强韧性β钛合金也将会具有很重要的工程应用前景。

本项目开展了β钛合金中相变诱导塑性(TRIP)与孪生诱导塑性(TWIP)效应的若干关键科学问题的理论与实验研究。首先采用第一性原理计算，研究了βTi-V钛合金中β、ω、α'、α''各组成相的结构与弹性性质，以及构成β钛合金相变诱导塑性的位移型β→ω相变与β→α'/α''马氏体相变行为与相变路径的原子机制，研究结果表明随着过渡族元素含量增加，β钛合金依次发生β→α'/α''马氏体相变，以及位移型β→ω相变，其中β→α'/α''马氏体相变路径不存在能垒，而β→ω相变路径存在能垒，其大小随着过渡族元素含量增加与温度的升高而增大；项目研究了βTi-V合金{110}<111>、{112}<111>和{123}<111>三个滑移系的位错滑移广义层错能、位错核芯半宽和位错滑移的Peierls应力，以及{112}<111>孪生变形广义层错能、临界孪生应力等性质与β相稳定性之间的关联作用，结果表明位错滑移广义层错能、位错滑移的Peierls应力，以及孪生变形广义层错能、临界孪生应力均能随着β相稳定性的下降而逐渐降低。实验研究进一步表明随着过渡金属元素含量的增加，β相稳定性升高，β钛合金的塑性变形由应力诱发马氏体相变、ω相转变、{332}<113>机械孪生、向{112}<111>机械孪生和位错滑移方式转变，合金的塑性变形机制取决于β相稳定性。TRIP或TWIP Ti-V-Nb-Zr β钛合金的屈服强度与晶粒尺寸均满足霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系式，并且TRIP β钛合金Hall-Petch系数大于TWIP β钛合金，同时其Hall-Petch系数均大于位错滑移型β钛合金，说明可以更有效地通过晶粒尺寸来调控合金的屈服强度。以上研究加深了对于β钛合金中应力诱发马氏体相变、ω相变、以及机械孪生机制的认识，为发展具有TRIP或TWIP效应的高强韧性β钛合金提供一些理论与实验依据。

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