《Acta Materialia》：屈服1.2GPa，延伸率27%！異構顯著提升純鈦低溫力學性能
2024-05-29 15:33:11
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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大多數金屬材料在低溫下都表現出強度和塑性之間的“倒置”矛盾，即強度越高，塑性越低。低溫會提升材料的剪切模量和晶格摩擦應力，增加位錯滑移阻力，使得材料強度增高，但對塑性的影響卻利弊不一。一方面，低溫可以抑制位錯的動態湮滅，從而增強應變硬化能力，提高塑性。另一方面，低溫增加了位錯滑移時的晶格摩擦應力，導致流變應力增加，而降低了塑性。在均勻結構中，晶粒細化措施在低溫下難以打破強度和塑性之間的倒置關系。目前，異構微結構（Heterostructure）設計在室溫下已經實現了強度和塑性的同步提升，這是由于異構單元域之間的力學不相容性在變形過程中產生了局部應變梯度和大量的幾何必需位錯（generation of geometrically necessary dislocations，GNDs）所致。研究者將這種現象定義為異構變形誘導（hetero-deformation-induced, HDI）強化和硬化。這引出一個基礎科學問題，異構策略能否解決傳統金屬材料在低溫下的強度-塑性矛盾。具體地，低溫下異構變形引起的應變硬化能否有效地抵消流變應力的增加，從而延緩頸縮的發生？如果可以，溫度對異構變形的具體影響是什么？基于上述問題，四川大學黃崇湘教授團隊與香港城市大學馬曉龍教授等團隊合作，采用熱擠壓-大變形量軋制-退火的工藝制備了一種再結晶型異構純鈦。該材料呈典型的蜂窩狀結構，包含體積占比60%的超細晶（平均晶粒尺寸~0.58 μm）和40%的細晶（~1.88 μm）。為比較研究，團隊還同時制備了均勻結構的細晶（~1.94 μm）和超細晶（~0.62 μm）樣品，并通過拉伸試驗測試了三種樣品在室溫和低溫下的力學性能。異構純鈦在低溫下具有極高的強度（屈服強度~1200MPa）和優異的延伸率（均勻伸長率~17%，總延伸率27%），突破了傳統均勻結構在低溫服役條件下的強度-塑性匹配瓶頸。系統研究表明，異構鈦具有優異低溫力學性能的根本原因在于：低溫放大了異構單元域之間的力學不相容性，并同時抑制了位錯交叉滑移。首先，與室溫環境相比，低溫增強了Hall-Petch系數，增大了異構單元域之間的力學不相容性，從而強化了異構單元域在塑性變形過程中的應變配分效應。其次，低溫抑制了位錯交叉滑移，而有利于平面滑移和位錯堆積，在不引起裂紋拓展的前提下進一步放大了HDI-應力的硬化效應。這一研究成果不僅有助于深入理解低溫條件下異質結構材料的變形行為，還為設計高性能低溫應用材料提供了新的思路。相關工作以題為 “Heterostructure enables anomalous improvement of cryogenic mechanical properties in titanium”的研究性文章發表在Acta Materialia。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119982
圖 1. 均勻結構和異質結構鈦的 EBSD 表征。(a)在 723 K退火1h的樣品的 IPF 照片。(b)在 773 K退火10分鐘的樣品的IPF照片。(c)在 773 K退火1h的樣品的 IPF 照片。(d-f)三個樣品的晶粒尺寸分布。(g-h) 以1mm為閾值將HS晶粒分成兩組即>1mm (FG)和 <1mm (UFG)的IPF照片。(i-k)顯示微觀紋理相似性的反極圖。(l)UFG Ti、(m)HS Ti、(n)FG Ti的晶界錯向角分布。
圖2. 均勻結構和異質結構鈦的拉伸性能。(a)77 K 時的工程應力-應變曲線和(b) 真應力-應變曲線。(c)298 K時的工程應力-應變曲線和(d)真應力-應變曲線。在(b)和(d)中計算了相應曲線的加工硬化指數(n)。
圖3. 純鈦和鈦合金的低溫屈服強度和均勻伸長率的Ashby圖
圖 4. 在77 K下變形至縮頸的異質結構鈦中的(a)UFG 區（<1 μm）和(b)FG 區（>1 μm）的晶粒形貌。在298 K下變形至縮頸的HS Ti樣品中，(c) UFG 區（<1 μm）和(d) FG 區（>1 μm）的晶粒形態。在77 K和 298 K下，(e)FG 區和(f)UFG區所承載的真實應變分布。
圖5. 純鈦材料中與溫度有關的Hall-Petch系數 。(a)77 K和 298 K時Hall-Petch系數的實驗測量值。(b)Conrad等人對不同間隙元素和含量的鈦的Hall-Petch系數隨溫度變化的曲線圖。
圖6. (a)塑性變形過程中機械不相容性導致異質結構應變分區（）的示意圖。(b)在兩個變形溫度下，由于機械不相容性的改變，應變分配的程度不同。
圖7. 在(a)77 K和(b)298 K下變形至~3.8%應變的異質結構鈦的位錯滑移行為的TEM照片。綜上所述，本研究揭示了異構純鈦優異的低溫力學性能，其打破了均勻結構純鈦低溫下的強度-塑性倒置關系。研究表明，與室溫相比，低溫強化了HDI效應，使異構鈦的低溫力學性能得到極大提升。首先，低溫增大了Hall-Petch系數，導致異構區域間的機械不相容性增加，因增強了塑性變形時不同晶粒間的應變配分效應，產生大量的GNDs。其次，低溫抑制了交叉滑移而有利于平面滑移和位錯塞積。這促進了GNDs的堆積，并且平面滑移使位錯更有可能塞積在晶界上，從而誘發更高的HDI應力。本文提出的關于異構純鈦的低溫強韌化策略可擴展到其它異構材料，為設計低溫高性能結構材料提供了參考。
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