Acta Materialia丨北理工程興旺：低密度近α鈦合金，沖擊載荷下的“抗壓高手”！
2024-12-26 13:28:34
作者：材料設計 來源：材料設計
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鈦合金因其低密度、高比強度以及優(yōu)異的耐腐蝕性，在商用飛機和載人航天飛行中得到了廣泛應用。在沖擊載荷作用下，劇烈的塑性變形會產(chǎn)生熱量，導致局部溫度升高以及與絕熱剪切帶（ASBs）形成相關的應變軟化，進而引發(fā)塑性失穩(wěn)甚至失效。在沖擊加載環(huán)境下工作的鈦合金需要具備優(yōu)異的動態(tài)性能。這項工作中，北京理工大學程興旺教授團隊揭示了一種具有卓越動態(tài)壓縮性能且密度低至4.36g/cm³的Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金，其動態(tài)強度高達約1.72GPa，動態(tài)壓縮應變約為27.2%，這得益于變形誘導層狀微觀結構以及變形促進碳偏析所產(chǎn)生的協(xié)同效應。這種低密度的Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金由納米級有序的Ti?Al（α?）顆粒增強的等軸α相晶粒組成，這些晶粒通過β相晶界結合在一起。雙相層狀微觀結構的形成歸因于α相晶粒的塑性流動穩(wěn)定性，這與相對較硬的β相所施加的幾何約束以及棱柱〈a〉位錯和錐面〈c + a〉位錯的激活有關。α相在劇烈塑性變形過程中產(chǎn)生的熱量通過促進碳沿滑移軌跡偏析而得以耗散，從而有效延緩了與動態(tài)再結晶相關的應變軟化。由于α相和β相之間塑性變形的不相容性，最終引發(fā)了剪切失穩(wěn)，導致層狀微觀結構發(fā)生局部旋轉。絕熱剪切帶（ASBs）出現(xiàn)在幾何剪切帶中。劇烈變形產(chǎn)生的熱量促進了剪切帶內(nèi)的動態(tài)再結晶和應變軟化。本項工作為通過耦合微觀結構工程與熱力學偏析-耗散機制來開發(fā)具有優(yōu)異動態(tài)響應的鈦合金提供了一種新策略。
相關成果以「Enhanced dynamic compression properties of a low density near-α titanium alloy associated with deformation induced laminated microstructure and dynamic segregation」為題刊登在Acta Materialia上。
圖1. (a) 帶限位環(huán)的動態(tài)壓縮實驗示意圖。(b) 微觀結構觀察的取樣方向和橫截面。
圖2. 退火Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金的微觀組織。
圖3. Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金在不同動態(tài)壓縮應變下的掃描電子顯微鏡（SEM）形貌。（a）5%，（b）10%，（c）15%，（d）至斷裂。 圖4. Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金在不同準靜態(tài)壓縮應變下的SEM形貌。（a）5%，（b）10%，（c）15%，（d）至斷裂。圖5. （a）動態(tài)壓縮樣品中α晶粒內(nèi)白色條紋到斷裂的SEM形貌和FIB樣品的制備過程。（b）FIB樣品的BF圖像。（c）（b）中α晶粒記錄的SAED圖案。（d）α晶粒內(nèi)放大的BF圖像。（e）（d）中黃色框對應的碳的EELS組成分布圖。（f）動態(tài)壓縮樣品中α晶粒內(nèi)白色條紋到斷裂的SEM形貌。（g）（f）對應的碳的TOF-SIMS組成分布圖。圖6. （a）動態(tài)和準靜態(tài)壓縮下Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C和Ti-6Al-4V合金的真實應力應變曲線。（b）Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C和Ti-6Al-4V合金的應變硬化速率曲線。（c）Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金與其他常見鈦合金的動態(tài)抗壓強度和塑性比較。（d）Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金與其他常見鈦合金的沖擊吸收能和密度比較。研究人員通過實驗和理論分析，成功開發(fā)了一種新型低密度近α鈦合金Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C，該合金在沖擊載荷下展現(xiàn)出卓越的動態(tài)壓縮性能。這種性能的提升主要得益于合金中變形誘導的層狀微觀結構和變形促進的碳偏聚的協(xié)同作用。研究結果表明，通過微觀結構設計和熱力學分離-耗散機制的耦合，可以有效提升鈦合金的動態(tài)響應性能。這一發(fā)現(xiàn)為未來鈦合金在極端服務條件下的應用提供了新的設計思路，特別是在需要高動態(tài)性能和優(yōu)異沖擊吸收能量的領域，如航空航天和高速交通工具。研究人員的工作不僅推動了鈦合金材料科學的發(fā)展，也為相關工業(yè)應用提供了重要的技術支撐。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120653
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