密排六方（HCP）结构镁合金的细晶强化表现出显著的取向依赖性。然而，目前仍不清楚细晶强化作用的强取向相关性是否为HCP金属所共有的属性以及其他HCP金属的细晶强化是否也存在取向相关性？钛（titanium，Ti）及其合金已经广泛应用于航空航天工业和生物医学等领域。钛是一种典型的密排六方结构（HCP）金属，轴比c/a为1.587。钛的塑性变形可由多种变形机制协调，HCP结构的钛合金中柱面滑移是最容易启动的变形模式，由于锥面<a>滑移和锥面<c+a>滑移临界启动应力（CRSS）比柱面滑移高，室温变形时启动活性较低。除滑移外，孪生也是HCP结构钛合金一种重要的变形模式。对于钛合金，晶体学取向对孪晶和滑移的行为有重要影响，不同取向启动的变形模式类型和数量差异很大，这将导致钛合金力学性能的各向异性。晶粒细化是提高钛合金强度的一种有效手段。然而，目前仍不清楚HCP结构的钛及其合金的细晶强化是否也存在取向相关性？
针对以上问题，南京工业大学信运昌教授等人以具有不同织构的纯钛板材和棒材为研究对象，系统地研究了初始取向对纯钛Hall-Petch关系的影响。结果表明初始取向对纯钛的k值有显著影响，即沿板材横向拉伸k值（188 MPa μm1/2）远低于沿板材轧向拉伸、沿棒材锻造方向拉伸和压缩的k值，分别为358 MPa μm1/2，369MPa μm1/2和397MPa μm1/2。信运昌教授等人利用参数计算（相邻晶粒启动应力差和相邻晶粒几何协调因子）分析了纯钛中取向对细晶强化的影响，结果表明模型预测的结果与实验测量的结果是相反的，即现有模型不能准确地预测纯钛中k值的取向依赖性。
进一步地，信运昌教授等人结合晶体塑性有限元模拟（CPFEM）和Eshelby模型研究了纯钛细晶强化取向依赖性的机制。结果表明该取向相关性的机制与取向导致变形传递模式转变有关，这是一种新的取向影响Hall-Petch关系的新机制。沿横向拉伸时启动多滑移的晶粒数远多于其他加载条件下启动多滑移的晶粒数，多滑移的发生将导致晶界附近应力集中降低，进而降低晶界强化效应。随后利用理论计算分析了取向导致变形传递模式改变的原因。多滑移的产生主要与已变形晶粒中各滑移系间的施密特因子差以及变形在相邻晶粒间传递的难易程度有关。与沿板材轧向拉伸、棒材锻造方向拉伸和压缩相比，板材横向拉伸时各晶粒三个柱面滑移系间的施密特因子差更小，同时相邻晶粒间启动应力差更大。这两种条件均有利于板材横向拉伸时启动大量的多滑移。
研究结果以“The mechanism for an orientation dependence of grain boundary strengthening in pure titanium”为题发表在国际期刊《International Journal of Plasticity》上，管博博士为论文第一作者，信运昌教授为论文的通讯作者。
图1 板材和棒材不同退火条件的极图（a）plate1，（b）plate2，（c）plate3，（d）plate4，（e）plate5；（f）rod1，（g）rod2，（h）rod3，（i）rod4和（j）rod5。
图2 板材RD拉伸、TD拉伸、棒材SD拉伸和棒材SD压缩的屈服应力随d-1/2的变化
图3 板材和棒材不同加载条件的值和值。图值分布图：（a）RD拉伸，（b）TD拉伸，（c）SD拉伸和（d）SD压缩；值分布图：（e）RD拉伸，（f）TD拉伸，（g）SD拉伸和（h）SD压缩。
表1 板材RD拉伸、板材TD拉伸、棒材SD拉伸和棒材SD压缩的Hall-Petch参数。
