文献综述
钛在地壳元素中含量排名第十位，金属元素第四位，凭借其较高的比强度，无磁性和好的耐腐蚀性，是优良的结构材料和生物材料，被广泛运用与航空航天，汽车船舶，石油化工，武器制造等多个领域。我国含有全球64%的钛，储备量高，具备良好的发展条件。工业纯钛具有高塑性，比强度和比模量高，耐腐蚀性好的特点，在航空设备中大量使用，同时因为纯钛具有良好的生物相容性，可以作为生物手术材料使用，但是纯钛的强度低，限制了其在工业领域的进一步应用[1-3]。为了满足生产需求，可以向纯钛中添加合金元素得到强度符合要求的钛合金，例如TC4（Ti-6Al-4V）具有较高的塑性，较小的流变应力，所以适用于机械加工，因此在各个行业崭露头角。然而Al，V等元素对于人体有害，钛合金不能作为生物材料使用，随着仿生骨骼的快速发展，如何提高纯钛的强度，同时不过度降低纯钛的塑性，成为研究的热点之一[4]。
低温时钛的晶格为HCP结构，一般称为alpha;钛；高温时其晶格为体心立方结构(BCC)，一般称为beta;钛。常温下，alpha;钛的晶体结构如图所示。晶格常数a=0.295nm，c=0.468nm，轴比c/a=1.587，低于理想轴比1.633。图中阴影面为alpha;钛的三个密排面：分别为基面{0002}，三个柱面{100}和六个锥面{101}；a1、a2、a3为三个密排方向lt;110gt;。
图1.1alpha;Ti的晶体结构[1]
密排六方结构和体心立方和面心立方结构相比晶体对称性低，滑移系统少，塑性变形机制比较复杂。塑性变形机制由六方晶体点阵常数轴比（c/a 的值）决定[5]。由经典塑性变形理论，当轴比 c/agt;1.633 时，基面滑移是主要的滑移；而当轴比 c/a＜1.633 时，基面{0001}此时不再是唯一的密排面，棱柱面{100}和棱锥面{101}的密排程度与之相当甚至大于基面，此时有可能发生柱面、锥面滑移。而钛的晶体点阵常数 c/a小于1.633[6,7]，可能发生基面lt;agt;滑移，柱面lt;agt;滑移和锥面lt;agt;滑移，二阶锥面lt;a cgt;滑移，其滑移面和滑移方向如图所示，可以看到柏氏矢量a只有4个独立的滑移系，而根据Von-Mises准则，多晶体要实现均匀的塑性变形，至少需要5个独立的滑移系。所以，当a类滑移系开动时，需要至少一个c a类滑移系或者孪生以协调均匀塑性变形。并且a类滑移只能实现a轴上的变形，对于从轴上的变形需要c a类滑移协助实现[8]。
图1.2钛中各滑移系[1]
由于密排六方钛的独立滑移系不足，无法协助c轴上的变形，所以孪生是一种协助密排六方钛发生塑性变形的方式之一。全位错的滑移称为滑移，而分位错的滑移称为孪生，孪生所需的临界分切应力通常大于滑移。孪生是指在切应力的作用下，晶体沿着孪生面和孪生方向形成镜面对称的关系。变形孪晶会引起基体的晶格取向重新定向，使滑移在应变调节方面更为均匀。在某些情况下，{1122}收缩孪晶(CT)将基体旋转到“软”取向，从而导致更好的加工硬化，而{1012}拉伸孪晶(ET)则旋转到“硬”取向[9]。同时，孪晶界可以作为位错运动的屏障，对材料的流动应力和加工硬化行为有很大的影响[10,11]，总的来说，孪晶既可以吸收存储 位错使材料的塑性提升，孪晶界也会阻挡位错的运行产生Hall-Petch强化。
按照理论，金属强化有四种方式：细晶强化，加工硬化，固溶强化和沉淀强化。其中固溶强化和沉淀强化需要引入新的元素，在纯钛的强度提高中不被考虑，通过细化晶粒，引入位错缠绕来提升强度成为研究方向。近几年，材料学家利用剧烈塑性变形(SPD)引入大的应变量，结合位错滑移与变形孪生两种主要的塑性变形机制，使得金属材料原始的粗大晶粒细化至亚微米级甚至纳米级，从而获得结构致密的块体纳米晶(NC)或者超细晶(UFG)材料，UFG的强度可以是常规粗晶（CG）的许多倍[12-14]，但低延性是它们实际应用的一个障碍。低塑性主要是由于它们的低应变硬化[15,16]，这是由于它们的晶粒尺寸小。根据consider准则，UFG金属的高强度要求其比较弱的CG金属有更高的应变硬化，以保持相同的延性。这使得UFG更加难以获得高延展性，单一的纳米均质结构材料难以满足工业要求。
Zhu等人[17]针对多相金属材料容易产生电位差及应力集中，降低电导率热导率的问题，提出了单相金属非均相纳米结构的设计，包括梯度，双峰，层状等结构，发现这种非均相的纳米结构通过不同晶粒大小区域的结合可以有效地提高强度，同时保留优异的流动塑性Wu等[18]通过非对称轧制和部分再结晶在Ti中产生非均匀片层结构，非均匀片层结构的特征是软的微细晶片层嵌在坚硬的超细晶片层中。非均匀屈服产生的高背应力促进了合金的高强度，而高塑性则归因于背应力硬化和位错硬化[19]。
