西安交大Adv. Mater.：通過降低氧雜質含量揭示鈦的本征高斷裂韌性
2024-09-09 11:49:14
作者：材料人 來源：材料人
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鈦及鈦合金作為一種輕質、高強、耐腐蝕的金屬材料，被廣泛應用于航空航天、海洋工程和生物醫用領域。近年來，隨著“損傷容限”設計理念在工業界的不斷推進，對鈦的斷裂韌性的要求也日益提高。然而，經過數十年的合金化設計和加工工藝改進，鈦及鈦合金的斷裂韌性始終低于130 MPa?m1/2，遠低于一些奧氏體不銹鋼和面心立方結構的中/高熵合金(斷裂韌性超過200 MPa?m1/2)。這種斷裂韌性的不足限制了鈦及鈦合金在一些關鍵負載條件下的應用。人們不禁要問，鈦及鈦合金的斷裂韌性僅能達到130 MPa?m1/2嗎？圖1 商業純鈦和低氧鈦的初始結構與斷裂韌性測試。通過對厚度為2.5 mm至30 mm的低氧鈦樣品開展標準CT樣斷裂韌性測試，發現其滿足平面應變條件的斷裂韌性值（KJIc）達到255 MPa?m1/2研究發現，金屬材料斷裂韌性的提高主要取決于其內韌化機制，這些機制通過擴大裂紋尖端的塑性變形區來阻礙裂紋擴展，即塑性區越大，斷裂韌性越高。但與面心立方結構和體心立方結構金屬相比，密排六方結構金屬鈦具有較低的晶格對稱性，變形時更容易激活柱面<a>滑移以協調<a>方向變形。若需要協調<c>軸方向的變形，必須通過形變孿生或者啟動錐面<c+a>滑移。然而，形變孿生通常是單向的，僅能協調較小的塑性應變。因此，必須大量啟動錐面<c+a>滑移才能滿足馮·米塞斯準則提出的至少有五個獨立滑移系統才能協調塑性變形的條件。但是，錐面<c+a>滑移的臨界分切應力高，同時其刃位錯部分易于分解，難以運動，很難與螺位錯部分協調變形，實現大量自增殖。因此，<c>軸方向變形機制的匱乏導致裂紋尖端難以實現高密度的均勻塑性變形，從而使得鈦及鈦合金表現出有限的斷裂韌性。為了突破鈦及鈦合金的極限性能，如何進一步挖掘金屬鈦的斷裂韌性潛力呢？圖2 低氧鈦斷裂韌性與主要金屬材料斷裂韌性的對比，表明鈦是最韌的金屬材料之一針對這一問題，西安交通大學材料學院韓衛忠教授課題組對純鈦的斷裂韌性進行了系統研究，發現鈦中的氧雜質是造成其斷裂韌性不足的主要因素。即使存在微量的氧雜質，也會抑制鈦中的變形孿生和位錯活性（Acta Materialia, 246 (2023) 118674），從而顯著降低裂紋尖端的均勻塑性變形能力。研究團隊通過將氧雜質含量從商業純鈦的0.14 wt%降低至低氧鈦的0.02 wt%，實現了斷裂韌性從117 MPa?m1/2提高至255 MPa?m1/2（如圖1）。低氧鈦的斷裂韌性超越了已報道的所有商業純鈦及鈦合金的斷裂韌性，并且超過了大部分金屬材料的斷裂韌性。研究首次揭示了鈦的超高本征斷裂韌性，打破了鈦的斷裂韌性低于130 MPa?m1/2的傳統認知，使低氧鈦成為目前已知最韌的金屬材料之一（如圖2）。圖3 低氧鈦裂紋尖端大量變形孿晶被激活，形成了從裂紋尖端到基體的梯度漸變組織，裂紋尖端的晶粒尺寸被顯著細化，而商業純鈦的裂紋尖端僅有少量的變形孿晶 研究人員發現，氧雜質含量的顯著降低成功克服了密排六方結構金屬鈦在室溫條件下<c>軸變形模式難以啟動的難題，并發現了一種全新的遞進韌化新機制：降低氧含量不僅促進了裂紋尖端變形孿晶的大量激活（如圖3），還發現孿晶界作為高效位錯源，發射了大量的<c+a>位錯（如圖4），有效克服了<c+a>位錯自增殖的困難。這兩種在室溫下通常難以啟動的變形模式的大量激活，顯著提升了低氧鈦裂紋尖端的均勻變形能力、變形密度和塑性區尺寸，從而有效鈍化了裂紋尖端，使金屬鈦展現出了前所未有的斷裂韌性。這種全新的韌化機制及降低關鍵雜質含量的研發策略，為設計高損傷容限鈦合金提供了新思路。圖4 低氧鈦中孿晶界發射<c+a>位錯，為<c+a>位錯的增殖提供了新模式。 該工作以《通過降低氧雜質含量揭示鈦的本征高斷裂韌性》（Uncovering the Intrinsic High Fracture Toughness of Titanium via Lowered Oxygen Impurity Content）為題發表于國際著名學術期刊《先進材料》（Advanced Materials）（IF：27.4）。西安交通大學材料學院博士生鄒小偉為論文第一作者，韓衛忠教授和馬恩教授為論文共同通訊作者。西安交通大學是該工作唯一通訊單位。該工作得到了國家自然科學基金和西安交通大學青年拔尖人才支持計劃的共同資助。論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202408286 本文內容來源：
https://news.xjtu.edu.cn/info/1004/213613.htm
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