近日，材料学院纳米异构材料中心陈翔教授团队在《Acta Materialia》在线发表了题为“Twinning-dominated scratch mechanism transitions in commercial pure Titanium from micro to macro scales”（孪晶主导工业纯钛全尺度划擦机制转变）的研究论文。南京理工大学为论文第一完成单位和通讯单位，学院陈翔教授为唯一通讯作者，学院梁斐副教授为论文第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121254

金属材料在划擦变形过程中常伴随表面堆积、折叠、开裂及材料剥离等现象。划擦变形会显著改变划痕下方亚表层微观结构，进而影响材料的耐划擦性能。近年来，针对面心立方等具有高对称性的晶体金属，研究人员已系统探究了加载方式与微观变形机制对其划擦行为的影响。然而，对于以复杂孪生变形为特征的密排六方金属，其表面划擦行为的微观结构起源尚不清晰。本团队前期研究表明，在密排六方金属中可通过孪生辅助晶格重构实现宏观尺度的低摩擦特性。另有研究指出，孪晶晶粒在变形过程中易成为发生应变局域化与裂纹形核的潜在位点。因此，亟需明确不同加载尺度下划擦诱导孪生对密排六方金属划擦行为的影响规律，从而为不同服役工况下高耐磨密排六方金属的结构设计与性能调控提供理论支撑。

图1工业纯钛在微观至宏观尺度加载下划擦机制转变的示意图

针对上述科学问题，陈翔教授团队以工业纯钛为研究对象，通过开展不同载荷条件下的单道次划擦实验，结合亚表层微观结构表征与原位应变场分析，揭示了其磨损率随加载尺度的三阶段演变规律及由孪生主导的划擦机制的两次转变。在0.05 N-10 N载荷范围（微观尺度）内，随着载荷增加，磨损率在阶段一呈现单调下降趋势，随后在阶段二趋于稳定，这标志着划擦机制首次转变——从表面形核孪生驱动的周期性剪切行为，转变为最表层纳米晶结构（由亚表层变形孪晶演化形成）主导的稳定材料去除过程。当载荷提升至10 N-50 N范围（宏观尺度）时，磨损率在阶段三出现急剧上升，对应划擦机制的第二次转变：压头前方孪晶片层内的局部纳米晶化诱发异质结构形成，进而导致材料大范围剥落现象。该研究成果为耐划擦纯钛及钛合金的结构设计提供了新思路，也对提升机械加工与成型过程中密排六方金属的表面质量具有重要指导意义。

研究工作得到了国家自然科学基金重大研究计划重点项目、面上项目、青年基金项目，中央高校基本科研业务费专项资金资助项目，以及航空科学基金等项目的支持。