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钛中氧敏感性的机理基础
钛中氧敏感性的机理基础
Mechanical behaviors of pure Ti, Ti-0.1O, and Ti-0.3O alloys at room temperature (RT) (~300 K) and cryogenic temperature (~100 K). (A) Representative engineering stress-strain curves of the three alloys with a strain rate of 10?3 s?1. (B) Corresponding true stress-true strain curves (solid lines) and strain hardening rate (symbols) curves of the three alloys. (C) Fracture tomography of pure Ti at room temperature. (D) Fracture tomography of pure Ti at cryogenic temperature. (E) Fracture tomography of Ti-0.3O at cryogenic temperature. Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abc4060

钛对少量的氧气极为敏感,这会导致材料的延展性明显下降。因此,材料科学家旨在降低提纯钛的成本,同时避免氧气的中毒作用。在现在的新报告中科学进步Yan Chong以及美国加州大学伯克利分校和美国劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学与工程科学家团队详细研究了钛对氧敏感性的系统研究。该团队对氧杂质对材料的机械性能的影响提供了清晰的机械视图。实验和计算工作为设计钛合金提供了见解,该合金对间隙含量变化(材料中原子原子阵列中规则位置之间的位置)具有更大的容忍度,对促进钛的广泛使用具有显着意义。航天器,海军舰船,飞机和材料工程中的合金。

钛合金

钛合金具有非常理想的性能,包括耐腐蚀性和高比强度,使其成为广泛商业应用中有吸引力的结构材料。间隙原子可以是有意或自然的合并影响 钛的机械性能。氧是一种主要的间隙杂质,广泛用于钛基合金中以产生有效的强化作用适用于各种应用。由于间隙杂质在制造过程中受到严格控制,因此钛本身也很昂贵。尽管研究人员已经记录了脆化作用 of interstitial impurities in 对于合金,异常氧敏感性对机械性能的机理起源还有待了解,从而限制了合金的设计和加工策略。材料科学家已记录“波浪到平面”过渡 金属中氧含量增加的位错排列方式在目前的工作中,Chong等。对钛的机械性能和变形微观结构进行了系统的多尺度研究。

钛中氧敏感性的机理基础
Comparison of typical dislocation morphologies (wavy or planar slip dominant) in Ti-O alloys after interrupted tensile deformations at different temperatures (500, 300, and 100 K) and strain rates (10?5s?1, 10?3s?1, 10?1s?1, and 2 s?1). The tensile strain was 4.0% for all the microstructures. (A) 3D diagram demonstrating the combined analysis of temperature, strain rate, and oxygen content dependences of dislocation morphologies in Ti-O alloys. A general tendency of wavy-to-planar slip transition occurred with either increasing strain rate, i.e., from (C) (pure Ti, 10?1 s?1, LN2) to (B) (pure Ti, 2 s?1, LN2), or increasing oxygen content, i.e., from (D) (Ti-0.1O, 10?5 s?1, LN2) to (E) (Ti-0.3O, 10?5 s?1, LN2), or decreasing temperature, i.e., from (F) (Ti-0.3O, 10?3 s?1, RT) to (G) (Ti-0.3O, 10?3 s?1, LN2). The transition boundary delineating wavy slip–dominant and planar slip–dominant regions gradually shifted toward a higher temperature and lower strain rate direction with increasing oxygen content. Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abc4060
氧对钛合金力学性能的影响

该研究小组旨在揭示滑移极性的本质,即相对于间隙浓度,应变速率和变形温度,氧含量较高。他们归因于钛对位错行为的转变具有明显的氧敏感性。孪生活动 金属。科学家们讨论了相对于原子跃迁的原子起源密度泛函理论 (DFT)和分子动力学 (MD)模拟,以提供更深刻的见识来设计耐间隙钛合金。崇等。在高温,室温和低温下测试了三种模型合金,包括纯钛(0.05重量%或重量%),Ti-0.10(0.10重量%-重量%)和Ti-0.30(0.30重量%)。单轴拉伸试验。氧含量的微小变化会导致Ti-O合金在室温和低温下的机械性能发生明显变化。观察到的Ti-0.30合金在低温下的失效突出了其在低温条件下的应用局限性。 Ti-O合金的应变硬化潜力随着氧含量的增加而降低。纯Ti和Ti-0.10在低温下表现出极好的且几乎相同的应变硬化速率。

脱位活动

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滑移面软化ISM的示意图。 (A)HCP晶格,具有八面体(白色)和六面体(蓝色)位置,以及棱形,金字塔形和基面(红色,蓝色和绿色)。 (B)(I)至(L)中所示的脱位滑移步骤的方向。 (C)用DFT计算的棱镜平面上的修正GSF能量。 (D)至(H)显示从八面体(D)开始的选定步骤的氧位置。 (E)显示了变形的八面体位置的最大能量。在步骤(F)和(H)中,氧气位于堆积断层处形成的八面体位置。 (G)显示六面体位点。 (I)至(L)演示了ISM模型中的关键步骤。在(I)中,棱镜平面上的第一个位错(十字符号)遇到八面体的氧,并且阻止了滑移。最终克服了这一障碍,将氧气混洗到六面体部位(J)。脱位继续滑动,随后的脱位跟随在后面(K)。这些位错的六面体氧势垒减少,因此很容易在该平面(L)上滑动。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.abc4060

崇等。然后研究了在不同温度和应变速率下通过中断拉伸变形以波浪或平面滑动为主模式的Ti-O合金的典型位错形态。他们示意性地结合了对位错形态的温度,应变速率和氧含量依赖性的分析。使用透射电子显微镜 (TEM)小组研究了相对于应变速率,氧气浓度和变形温度的代表性位错形态。他们指出,当应变速率或氧气速率增加或温度降低时,会发生波状至平面的滑移过渡(材料的晶体学平面的一部分相对于另一平面和方向的位移)。

虽然平面滑移是经常报道 在低温下的Ti-O合金中,其潜在机理仍然未知。的短程排序 (SRO)或短距离内原子的规则且可预测的排列(对于氧原子),可能是提出的机制;然而,研究人员尚未通过实验来验证氧气稀释的Ti-O二元体系中氧气的SRO。因此,团队计算了扩散反相边界 (DAPB)能量和确定的平面滑移与温度和应变无关铝化钛(Ti-Al)基 与Ti-O合金形成鲜明对比,后者的平面滑移取决于温度和应变。因此,科学家得出了与Ti-O合金中不断发展的平面滑移不同的起源。

Ti-O系统中的间隙改组和变形孪生

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    Inverse pole figure (IPF) + image quality (IQ) maps of Ti-O alloys after tensile fractured at room temperature (RT) and cryogenic temperature (LN2), with a strain rate of 10?3s?1. (A) Pure Ti, RT, and fracture strain: 0.40. (B) Ti-0.10, RT, and fracture strain: 0.28. (C) Ti-0.3O, RT, and fracture strain: 0.16. (D) Pure Ti, LN2, and fracture strain: 0.60. (E) Ti-0.1O, LN2, and fracture strain: 0.56. (F) Ti-0.3O, LN2, and fracture strain: 0.04. The tensile direction is horizontal for all the microstructures. Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abc4060
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    Characterization of Ti-0.3O alloy after tensile fractured at cryogenic temperature. (A) Optical microscopy of the area near fracture surface, in which several microcracks (as indicated by yellow arrows) were observed along the grain boundaries. (B) Twin boundary map showing the types of twins near the fracture surface [according to the colors shown in (G)]. (C) and (D) are the IPF map and twin boundary map showing one typical example of microcracks forming at the points where {11-24} twins were blocked at the grain boundaries. (E) The misorientation angle profile, in which an evident peak was found at 77°, confirming the predominance of {11-24} twins in Ti-0.3O deformed at cryogenic temperature. (F) The HRTEM image (from a zone axis of [-5143]) of one {11-24} twin lifted out from the rectangle area in (B) by the focused ion beam (FIB) method. (G) The colors used in panels B and D. Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abc4060

崇等。进行了DFT(密度泛函理论)计算,以提出间隙改组机制(ISM),以实现Ti-O合金中波浪形至平面滑移转变的温度和速率依赖性。基于广义堆垛层错 (GSF)能量是通过计算获得的,该团队提供了证据表明,在较低的温度和较大的应变速率下,材料中的混洗过程具有滑移面软化作用。在变形过程中在材料内移位的氧原子保留在其位置,从而减少了进一步滑动的障碍。概念孪生 在低温下观察到的钛合金还具有出色的机械性能,而低温通常会使位错活动变得困难。

迄今为止,研究人员已经报告了四个常见变形缠绕模式 在钛合金中,包括两个张力双胞胎(T1和T2)和两个压缩双胞胎(C1和C2)。崇等。认为孪生行为是氧含量和温度的函数概述。随着氧气含量的增加,室温下的孪晶含量不断降低,直到在室温下Ti-0.30合金中均未检测到明显的孪晶。在低温下,纯钛中的孪生活性大大提高。他们将纯钛的增强功能归功于更大的内部应力水平。为了进一步了解孪生子的异常行为,科学家使用原子模拟研究了氧与孪生子边界之间的相互作用。

外表

通过这种方式,Yan Chong及其同事考虑了氧对位错形态和孪晶分数的系统影响,从而提出了氧敏感性对钛力学性能的机械观点。他们将Ti-O合金滑移平面度的温度应变率和氧含量敏感性的起源归因于 原子而不是原子的短程排序。间隙改组机制(ISM)模型为观察到的现象提供了解释温度 Ti-O合金的平面滑移和应变敏感性。这项工作中断了间隙改组过程的模拟合金设计策略可能会显着提高合金的间隙公差 合金 在不牺牲延展性的情况下提供增强效果。


进一步探索

通过有序的氧络合物提高高熵合金的强度和延展性

更多信息: 严冲等。钛中氧敏感性的机械基础,科学进步 (2020). DOI:10.1126 / sciadv.abc4060

比尔比(Bilby B.A.)和Crocker A.G.变形孪晶的晶体学理论,英国皇家学会A的会议记录,doi.org/10.1098/rspa.1965.0216

钱玉等。钛中显着的氧溶质增强作用的起源,科学 (2015). DOI:10.1126 / science.1260485

期刊信息: 科学进步 , 科学

? 2020 Science X Network

引文: 钛中氧敏感性的机械基础(2020年10月30日) 2020年11月1日检索 from /news/2020-10-mechanistic-basis-oxygen-sensitivity-titanium.html
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