低温低周疲劳下商业纯钛的疲劳行为与微观结构演变及其在航空航天领域的应用

本文研究了商业纯钛（CP-Ti）在低温（CT）与室温（RT）条件下的低周疲劳（LCF）行为，揭示了机械孪生（twinning）在低温下通过动态Hall-Petch强化和Taylor硬化机制显著提升材料疲劳性能的作用。研究发现，低温环境下孪晶分数增加、残余孪晶积累和晶粒细化共同提高了疲劳应力（CT达575 MPa）和疲劳寿命（2400次循环），为航空航天极端环境用钛合金设计提供了重要理论依据。

　　

Highlight

低温环境下机械孪生对钛的塑性变形至关重要，其激活能同时提升强度和延展性。但孪生与位错滑移在低周疲劳（LCF）中的相互作用机制尚不明确。本研究通过对比商业纯钛（CP-Ti）在室温和低温（-196°C）下的LCF行为，发现低温样品中孪晶分数显著增加，且反向加载阶段发生明显解孪（detwinning）。这些微观结构演变（包括残余孪晶和晶粒细化）通过Hall-Petch关系和Taylor硬化定律解释了疲劳性能的提升。

LCF Test 1: 离体微观结构分析

图4显示低温首循环最大疲劳应力达417 MPa，比室温高33.7%。50次循环后CT样品应力升至430 MPa，500次循环后进一步提高至466 MPa。室温样品在644次循环后断裂，而CT样品展现出更优的疲劳寿命。电子背散射衍射（EBSD）分析表明，低温条件下<10^ˉ12>和<11^ˉ22>孪晶的激活是性能提升的关键因素。

Conclusion

1. 在±2.0%应变幅的LCF测试中，低温条件使疲劳应力达575 MPa，寿命延长至2400次循环；

2. 低温下孪生-解孪行为主导变形，而室温下位错滑移为主；

3. 残余孪晶积累和晶粒细化通过限制位错运动（动态Hall-Petch效应）提升性能。这些发现为航空航天用钛合金的低温应用提供了微观机制支持。