《Materials Science and Engineering: A》：Grain refinement in adiabatic shear bands of pure titanium: The role of deformation twinning in rotational dynamic recrystallization
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研究人员采用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB）系统，研究了高应变率加载条件下纯钛绝热剪切带（Adiabatic Shear Band, ASB）内的微观组织演化。结果表明，ASB内的晶粒细化遵循一条由孪晶
研究人员采用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB）系统，研究了高应变率加载条件下纯钛绝热剪切带（Adiabatic Shear Band, ASB）内的微观组织演化。结果表明，ASB内的晶粒细化遵循一条由孪晶辅助的途径，包括晶粒细分及随后的旋转动态再结晶（Rotational Dynamic Recrystallization, RDR）。在应力崩塌发生前，以{101ˉ2}拉伸孪晶和{101ˉ2}压缩孪晶为主的交叉孪晶网络对粗大母相晶粒进行几何细分，并产生大量高能界面位点。在随后的剪切局域化过程中，这些预先存在的孪晶界被认为促进了亚晶界的旋转和快速再结晶，导致ASB中心区域从孪晶碎化区快速转变为等轴超细晶结构。集中变形区的宽度约为550 μm，而高度局域化的ASB宽度仅为约23.5 μm，ASB中心的再结晶晶粒平均尺寸约为0.33 μm。这种孪晶介导的细化途径为六方密排（Hexagonal Close-Packed, HCP）金属在极端动态加载条件下的晶粒细化机制提供了新的认识。
研究背景与意义
纯钛作为典型的六方密排（HCP）金属，在极端动态加载下会发生应变局域化，伴随显著的温升并形成绝热剪切带（ASB）。这一过程是热软化与应变/应变率硬化竞争驱动的力学失稳现象，其显著特征是粗大母相晶粒向超细晶或纳米晶转变。尽管ASB内的晶粒细化常归因于动态再结晶（DRX），但由于变形时间极短，完整的微观组织演化过程尚不完全清楚。旋转动态再结晶（RDR）模型虽被广泛接受，但现有研究多强调位错累积与晶界转动，对HCP金属中变形孪晶在ASB形成与演化中的作用关注不足。鉴于纯钛的独立滑移系有限，塑性变形早期会激活大量变形孪晶，这可能对后续的动态加载组织演变产生深远影响。因此，阐明变形孪晶在纯钛ASB形成中的作用，对完善HCP金属动态变形理论具有重要意义。该研究成果发表于《Materials Science and Engineering: A》。
关键技术方法
研究人员选用Grade 2纯钛轧板，经660°C退火75分钟获得完全再结晶的等轴α-Ti组织，平均晶粒尺寸约32.3 μm。采用电火花加工制备帽形试样，沿法向取样。使用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统在室温下进行动态剪切实验，平均剪切应变率约1.2×104s-1，并通过刚性限位环控制位移，获得剪切应变分别为0.51（S1，局域化前）和1.39（S2，ASB充分发展）两种中断状态。利用电子背散射衍射（EBSD）和高分辨率显微表征分析微观组织演变，并结合绝热温升估算与RDR动力学计算揭示机制。
研究结果
3.1 力学响应
动态剪切应力-应变曲线呈现弹性-塑性变形、剪切局域化和稳态变形三阶段。S1阶段在应力崩塌前中断，尚未形成明显剪切局域化；S2阶段应力达到峰值约780 MPa后出现显著下降，标志着剪切局域化发生并进入稳态变形。
3.2 剪切局域化前的孪晶介导细分
在S1阶段，剪切区内已出现大量平行与交叉的变形孪晶，主要为{101ˉ2}拉伸孪晶和{101ˉ2}压缩孪晶，并伴随高角度扭折带。孪晶相互交叉将母相晶粒几何细分为多个亚结构，形成后续超细晶形成的结构前体，此过程还包括{101ˉ2}-{101ˉ2}和{101ˉ2}-{101ˉ1}二次孪晶事件。
3.3 ASB形成后的微观结构
S2阶段ASB中心宽度约23.5 μm，集中变形区宽约550 μm。ASB中心呈现异质组织，包含超细等轴晶、旋转亚结构和碎化变形母相晶粒。再结晶晶粒平均尺寸约0.33 μm，显著小于亚结构（~0.68 μm）和变形晶粒（~1.29 μm）。孪晶界碎片仍存在于ASB中心，并在再结晶区密度最高。
3.4 孪晶辅助细化的定量分析
剪切局域化后，低临界分切应力的{101ˉ2}孪晶体积分数明显下降，而热激活型{101ˉ1}压缩孪晶比例由0.46%增至1.03%。再结晶区孪晶界密度达7.25%，显著高于变形晶粒和亚结构区，表明孪晶界是再结晶的有利位置。
3.5 绝热温升与动态再结晶机制
基于集中变形区宽度估算，局域温度在最大应力时可达约691 K，局域化结束时约837 K，高于纯钛DRX起始临界温度（约0.4Tm，~776 K）。RDR动力学计算显示，在837 K下大角度晶界转动可在约128 μs内完成，能够在ASB极短的变形时间内实现。结合微观证据，研究人员提出孪晶辅助的“晶粒细分—RDR”途径：孪晶在局域化前几何细分母相晶粒，在局域化阶段提供高能界面促进亚晶界转动与快速再结晶。
讨论与结论翻译
本研究支持孪晶辅助的晶粒细分及随后的RDR作为纯钛ASB内关键细化机制的模型。在剪切局域化前，大量{101ˉ2}和{101ˉ2}变形孪晶对粗大母相晶粒进行几何细分，形成促进后续晶粒细化的结构前体。ASB形成后，带中心呈现包含再结晶晶粒、亚结构和变形区的异质组织。孪晶界统计与动力学分析表明，变形孪晶在剪切局域化过程中显著促进晶界转动并加速再结晶。
