Mekaniska beteenden hos ren Ti, Ti-0,1O, och Ti-0,3O-legeringar vid rumstemperatur (RT) (~300 K) och kryogen temperatur (~100 K). (A) Representativa tekniska spännings-töjningskurvor för de tre legeringarna med en töjningshastighet på 10-3 s-1. (B) Motsvarande sanna spänningssanna töjningskurvor (heldragna linjer) och töjningshärdningshastighet (symboler) kurvor för de tre legeringarna. (C) Frakturtomografi av rent Ti vid rumstemperatur. (D) Frakturtomografi av rent Ti vid kryogen temperatur. (E) Frakturtomografi av Ti-0,3O vid kryogen temperatur. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Titan är extremt känsligt för små mängder syre, vilket kan leda till markant minskad duktilitet hos materialet. Materialforskare strävar därför efter att sänka kostnaderna för att rena titan, samtidigt som man undviker syreförgiftningseffekterna. I en ny rapport nu på Vetenskapens framsteg , Yan Chong, och ett team av forskare inom materialvetenskap och teknik vid University of California Berkeley och Lawrence Berkeley National Laboratory i USA, detaljerade en systematisk studie om syrekänslighet hos titan. Teamet gav en tydlig mekanistisk bild av effekterna av syreföroreningar på materialets mekaniska egenskaper. Det experimentella och beräkningsmässiga arbetet gav insikter för en logik för att designa titanlegeringar med ökad tolerans mot variationerna i interstitiellt innehåll (en position mellan de vanliga positionerna i en rad atomer i ett material), med anmärkningsvärda konsekvenser för att underlätta den utbredda användningen av titanlegeringar i rymdfarkoster, örlogsfartyg, flygplan och materialteknik.
Titanlegeringar
Titanlegeringar innehåller mycket önskvärda egenskaper, inklusive korrosionsbeständighet och hög specifik hållfasthet, vilket gör dem till attraktiva strukturella material för ett brett spektrum av kommersiella tillämpningar. Interstitiella atomer kan avsiktligt eller naturligt inkorporeras för att påverka titanets mekaniska egenskaper. Syre är en dominerande interstitiell förorening, allmänt antagen i titanbaserade legeringar för att möjliggöra en potent förstärkande effekt för olika applikationer. Titan är också i sig dyrt på grund av den strikta kontrollen av interstitiella föroreningar under tillverkningen. Även om forskare har dokumenterat försprödningseffekterna av interstitiella föroreningar i alfa-titaniumlegeringar, det mekanistiska ursprunget för den anomala syrekänsligheten på de mekaniska egenskaperna återstår att förstå, vilket begränsar legeringsdesign och bearbetningsstrategier. Materialforskare hade dokumenterat en "våg-till-plan" övergång av dislokationsarrangemang med ökande syrehalt i metallen. I detta arbete, Chong et al. genomfört en systematisk flerskaleundersökning av titanets mekaniska egenskaper och deformationsmikrostrukturer.
Jämförelse av typiska dislokationsmorfologier (vågig eller plan glidning dominant) i Ti-O-legeringar efter avbrutna dragdeformationer vid olika temperaturer (500, 300, och 100 K) och töjningshastigheter (10−5s−1, 10−3s−1, 10−1s−1, och 2 s−1). Dragpåkänningen var 4,0 % för alla mikrostrukturer. (A) 3D-diagram som visar den kombinerade analysen av temperatur, töjningshastighet, och syrehaltsberoende för dislokationsmorfologier i Ti-O-legeringar. En allmän tendens till vågig-till-plan glidövergång inträffade med antingen ökande töjningshastighet, dvs. från (C) (ren Ti, 10−1 s−1, LN2) till (B) (ren Ti, 2 s−1, LN2), eller ökande syrehalt, dvs. från (D) (Ti-0,1O, 10−5 s−1, LN2) till (E) (Ti-0,3O, 10−5 s−1, LN2), eller sjunkande temperatur, dvs. från (F) (Ti-0,3O, 10−3 s−1, RT) till (G) (Ti-0,3O, 10−3 s−1, LN2). Övergångsgränsen som avgränsar vågiga gliddominanta och plana gliddominanta regioner skiftade gradvis mot en högre temperatur och lägre töjningshastighetsriktning med ökande syrehalt. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060 
Teamet syftade till att avslöja arten av glidpolaritet associerad med högre syrehalt i förhållande till interstitiell koncentration, töjningshastighet och deformationstemperaturer. De krediterade den markanta syrekänsligheten i titan till övergångar i dislokationsbeteende och tvillingaktivitet hos metallen. Forskarna diskuterade det atomära ursprunget för övergångarna i förhållande till densitetsfunktionsteori (DFT) och simuleringar av molekylär dynamik (MD) för att ge djupare insikter för att designa interstitiellt toleranta titanlegeringar. Chong et al. testade tre modelllegeringar inklusive rent titan (med 0,05 viktprocent eller viktprocent), Ti-0,10 (med 0,10 viktprocent—vikt%) och Ti-0,30 (med 0,30 vikt%) vid hög temperatur, rumstemperatur och kryogena temperaturer med enaxliga dragprov. En liten variation av syrehalten orsakade markanta förändringar av de mekaniska egenskaperna hos Ti-O-legeringar vid rumstemperatur och kryogena temperaturer. De observerade felen hos Ti-0,30-legeringar vid låga temperaturer framhävde dess begränsningar för tillämpningar vid kryogena förhållanden. Töjningshärdningspotentialen för Ti-O-legeringarna minskade med ökande syrehalt. Ren Ti och Ti-0,10 uppvisade utmärkta och nästan identiska töjningshärdningshastigheter vid kryogen temperatur.
Dislokationsaktivitet
Schematisk illustration av ISM för glidplansmjukning. (A) HCP-gitter med oktaedriska (vita) och hexaedriska (blå) platser, och prismatisk, pyramidal, och basalplan (röda, blå, och grönt). (B) Orientering för stegen för dislokationsglidning som visas i (I) till (L). (C) Modifierad GSF-energi på det prismatiska planet beräknat med DFT. (D) till (H) visar syreposition för valda steg, med början från oktaedral (D). (E) visar den förvrängda oktaedriska platsen vid maximal energi. I steg (F) och (H), syret finns i en oktaedrisk plats bildad vid staplingsförkastningen. (G) visar den hexaedriska platsen. (I) till (L) visar nyckelstegen i ISM-modellen. I (I), den första dislokationen (korssymbolen) på ett prismatiskt plan möter ett oktaedriskt syre och glidning motverkas. Den övervinner så småningom detta hinder och blandar syret till den hexaedriska platsen (J). Dislokationen fortsätter att glida, och efterföljande dislokationer följer efter (K). Dessa dislokationer ser en minskad barriär från det hexaedriska syret och glider därmed lätt på detta plan (L). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Chong et al. undersökte sedan de typiska dislokationsmorfologierna för Ti-O-legeringar antingen i vågigt eller plant gliddominant läge genom avbrutna dragdeformationer vid olika temperaturer och töjningshastigheter. De kombinerade schematiskt analyserna av temperatur, töjningshastighet och syrehalt beroende av dislokationsmorfologin. Med hjälp av transmissionselektronmikroskopi (TEM) undersökte teamet de representativa dislokationsmorfologierna i förhållande till töjningshastigheten, syrekoncentration och deformationstemperatur. De noterade känsligheten för en vågig-till-plan glidövergång (förskjutning av en del av materialets kristallografiska plan i förhållande till ett annat plan och riktning) att inträffa när töjningshastigheten eller syrehastigheten ökade, eller med sjunkande temperatur.
Även om den plana glidningen ofta rapporterades i Ti-O-legeringar vid kryogena temperaturer, den underliggande mekanismen är fortfarande okänd. Kortavståndsordningen (SRO) eller det regelbundna och förutsägbara arrangemanget av atomer över ett kort avstånd, för syreatomer, skulle kunna vara en föreslagen mekanism; dock, forskare har ännu inte experimentellt verifierat SRO för syre i det binära Ti-O-systemet med en utspädd syrehalt. Teamet beräknade därför de diffusa antifasgränsenergierna (DAPB) och bekräftade att plan glidning var temperatur- och töjningsoberoende för titan-aluminid (Ti-Al)-baserade legeringar, i markant kontrast till Ti-O-legeringar vars plana glidning berodde på temperaturen och töjningen. Forskarna härledde därför ett annat ursprung till den utvecklande plana glidningen i Ti-O-legeringar.
Interstitiell shuffling i Ti-O-systemet och deformationssamverkan
Inverterad polfigur (IPF) + bildkvalitetskartor (IQ) av Ti-O-legeringar efter dragbrott vid rumstemperatur (RT) och kryogen temperatur (LN2), med en töjningshastighet på 10−3s−1. (A) Ren Ti, RT, och brotttöjning:0,40. (B) Ti-0,10, RT, och brotttöjning:0,28. (C) Ti-0,3O, RT, och brotttöjning:0,16. (D) Ren Ti, LN2, och brotttöjning:0,60. (E) Ti-0,1O, LN2, och brotttöjning:0,56. (F) Ti-0,3O, LN2, och brotttöjning:0,04. Dragriktningen är horisontell för alla mikrostrukturer. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Karakterisering av Ti-0,3O-legering efter dragbrott vid kryogen temperatur. (A) Optisk mikroskopi av området nära frakturytan, där flera mikrosprickor (som indikeras av gula pilar) observerades längs korngränserna. (B) Tvillinggränskarta som visar typerna av tvillingar nära sprickytan [enligt färgerna som visas i (G)]. (C) och (D) är IPF-kartan och tvillinggränskartan som visar ett typiskt exempel på mikrosprickor som bildas vid de punkter där {11-24} tvillingar blockerades vid korngränserna. (E) Felorienteringsvinkelprofilen, där en tydlig topp hittades vid 77°, bekräftar dominansen av {11-24} tvillingar i Ti-0,3O deformerad vid kryogen temperatur. (F) HRTEM-bilden (från en zonaxel på [-5143]) av en {11-24} tvilling lyfts ut från rektangelområdet i (B) med metoden med fokuserad jonstråle (FIB). (G) Färgerna som används i panel B och D. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Chong et al. genomförde DFT-beräkningar (density functional theory) för att föreslå interstitiell shuffling-mekanismer (ISM) för temperatur- och hastighetsberoende av våg-till-plan glidövergångar i Ti-O-legeringar. Baserat på GSF-energier (generalized stacking fault) erhållna via beräkningsberäkningar, teamet gav bevis för glidplanets mjukgörande effekt som är förknippad med blandningsprocessen i materialet vid lägre temperaturer och större töjningshastigheter. Syreatomerna som förflyttades inuti materialet under deformationsprocessen förblev i sina positioner, minskar barriären för ytterligare glidning. Konceptet med twinning kan också ge upphov till utmärkta mekaniska egenskaper hos titanlegeringar som observeras vid kryogena temperaturer där dislokationsaktiviteter vanligtvis blir svåra.
Forskare har hittills rapporterat fyra vanliga tvinnade deformationslägen i titan, inklusive två spänningstvillingar (T1 och T2) och två kompressionstvillingar (C1 och C2). Chong et al. betraktade en översikt över vänortsbeteende som en funktion av syrehalt och temperatur. Med ökande syrehalt, tvillingfraktionerna vid rumstemperatur reducerades kontinuerligt till den punkt där inga märkbara tvillingar kunde detekteras i Ti-0,30-legeringar vid rumstemperatur. Twin-aktiviteten ökade väsentligt i rent titan vid kryogena temperaturer. De krediterade den förbättrade funktionen i rent titan till en högre inre stressnivå. För att ytterligare förstå tvillingarnas anomala beteende, forskarna studerade växelverkan mellan syre och tvillinggränser med hjälp av atomsimuleringar.
Syn
På det här sättet, Yan Chong och kollegor ansåg det systematiska inflytandet av syre på dislokationsmorfologin och vänortsfraktionen för att presentera en mekanistisk syn på syrekänslighet på de mekaniska egenskaperna hos titan. De krediterade ursprunget till temperaturtöjningshastigheten och känsligheten för syreinnehållet hos Ti-O-legeringens glidplanaritet till rörelsen av syreatomer istället för kortdistansordning av atomer. Modellen av interstitiella shuffling-mekanismer (ISM) gav en förklaring till den observerade temperaturen och töjningskänsligheten för plan glidning i Ti-O-legeringar. De simulerade legeringsdesignstrategierna som avbröt den interstitiella blandningsprocessen i detta arbete kan särskilt öka den interstitiella toleransen för titanlegeringar för att erbjuda stärkande effekter utan åtföljande uppoffringar av duktilitet.
© 2020 Science X Network
