【摘 要】
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随着载人登月、星际探测等重大航天活动的发展,未来重型火箭起飞重量将进一步提高,火箭发动机的脉冲推动比将会进一步增大,这就迫切需要具更高强度、更好塑性（韧性）和更好稳定性的超低温材料。钛合金具有比强度高、均匀塑性好、综合力学性能优异等特征,是广泛应用的低温工程材料。然而,伴随着使用温度的进一步降低（例如,2K～20K）,钛及钛合金强度提高的同时,其均匀塑性却显著降低,无法实现超低温下强韧性的良好匹配
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随着载人登月、星际探测等重大航天活动的发展,未来重型火箭起飞重量将进一步提高,火箭发动机的脉冲推动比将会进一步增大,这就迫切需要具更高强度、更好塑性（韧性）和更好稳定性的超低温材料。钛合金具有比强度高、均匀塑性好、综合力学性能优异等特征,是广泛应用的低温工程材料。然而,伴随着使用温度的进一步降低（例如,2K～20K）,钛及钛合金强度提高的同时,其均匀塑性却显著降低,无法实现超低温下强韧性的良好匹配,从而严重阻碍了钛合金在超低温环境下的应用。针对上述问题,本文采用第一性原理和分子动力学方法,开展了钛及钛合金的堆垛层错能、孪晶界面能、孪晶形成能、回复力的计算;对比分析了合金元素、变形温度对堆垛层错能、孪晶界面能、孪晶形成能的影响规律;探究了超低温下钛及钛合金塑性变形微观机理,揭示了合金元素对其影响规律。结果表明,纯钛基面的稳定层错能为313 m J/m~2,不稳定层错能为430 m J/m~2;Al、V、Ta、Re、Fe、Ir元素的添加都降低了合金体系基面的层错,其中Re元素的添加使得体系的基面稳定层错能和不稳定层错能降低到102 m J/m~2和104m J/m~2,从而导致合金体系全位错分解趋势增加,强度会上升,延展性降低。纯钛柱面稳定层错能为235 m J/m~2;α稳定元素Al的添加使得体系的稳定层错能增大到297 m J/m~2,使得形成柱面层错的能垒升高,柱面形成层错的难度增大;基面中添加金属元素V,Ta和间隙元素H合金体系的不稳定层错能和稳定层错能都下降,且γSF/γUSF的比值相对于纯Ti从0.85升高到0.93,这说明添加金属元素V,Ta和间隙元素H时会让合金体系在滑移时变形更加趋向全位错变形。纯钛的锥面层错能为787 m J/m~2,相比于基面和柱面层错能明显增大;合金元素的添加对锥面的层错能的影响较小。计算发现,纯钛的不稳定孪晶能为590 m J/m~2;Al、V、Ta、Re、Fe、Ir元素的添加都增大了合金体系的不稳定孪晶能,其中Re和Ir元素增加到3564m J/m~2（600%）和2538 m J/m~2（400%）,表明体系形成孪晶的势垒变大,孪晶不容易形成。值得注意的是β稳定元素Fe的添加使得体系的孪生能力（τ=3.22）显著增大,孪生变形增强。添加Al、Re、Fe元素使得（10-11）、（11-21）和这两种孪晶界面能从31 m J/m~2和250 m J/m~2分别升高到99 m J/m~2,283 m J/m~2,但（10-12）和（11-22）孪晶界面能随着元素的添加从279 m J/m~2,410 m J/m~2分别降低到6 m J/m~2,69m J/m~2。基于准谐近似方法的第一性原理计算和热力学积分方法的分子动力学计算可得,随着温度的降低（300K～0K）Ti的层错能增大。添加α稳定元素Al、β稳定元素Fe和Re元素合金体系的层错能随着温度的降低而升高,滑移变得困难,孪晶趋势增加。
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