Titan (Ti), ofta hyllad som undermetallen för sina anmärkningsvärda egenskaper, har många tillämpningar inom flyg-, marin- och biomedicinindustrier. Ti och dess legeringar är kända för sin låga densitet, höga hållfasthet, höga duktilitet, stora korrosionsbeständighet och utmärkta biokompatibilitet, och har studerats brett av många forskare för deras strukturella deformationsmekanismer vid rumstemperatur.
Nyligen har forskare fokuserat sina ansträngningar på att studera deformationen av Ti och dess legeringar vid mycket låga "kryogena" temperaturer (<77K, temperaturen för flytande kväve).
Ti och dess legeringar deformeras via olika mekanismer, inklusive dislokationsglidningar, där korn av metaller glider över varandra, och "deformationssammansättningar", varvid kornen arrangeras symmetriskt runt en gemensam korngräns. Ett korn, nämligen en väldefinierad region i ett kristallint material, består av atomer ordnade på ett specifikt, konsekvent sätt. Förekomsten av deformationstvillingar i Ti-legeringar beror på den ursprungliga texturen, töjningshastigheten, deformationstemperaturen och kornstorleken.
Studier har visat att twinning kan förbättra materialens mekaniska egenskaper. Dessutom har kryogen deformation av kommersiellt ren Ti (CP-Ti) visat sig utlösa deformationssammansättning, vilket avsevärt ökar dess styrka och duktilitet. De exakta effekterna av olika deformationsmekanismer och kornstorlek på styrkan hos CP-Ti vid kryogena temperaturer har dock inte förståtts helt.
För att komma till rätta med denna klyfta undersökte ett team av forskare från Kina, ledda av biträdande professor Cai Chen och Dr Ji-zi Liu från Nanjing University of Science and Technology, de mekaniska egenskaperna och vänortsbeteendet hos CP-Ti vid rumstemperatur och flytande kväve temperatur (LNT).
"Att studera deformationsbeteendet hos CP-Ti och dess legeringar vid kryogena temperaturer kan hjälpa till vid utvecklingen av nya kontrollerade processer för att förbättra deras styrka och duktilitet", förklarar Dr Chen. Deras artikel publicerades i tidskriften Transactions of Nonferrous Metals Society of China .
Med hjälp av avancerade tekniker som scanning av elektron-backscatter-diffraktion och transmissionselektronmikroskopi, studerade forskarna förändringar i mikrostrukturen och dislokationer av CP-Ti-proverna under enaxlig belastning vid båda temperaturerna. De undersökte plastiskt härdningsbeteende, twinning-inducerad kornfragmentering, texturomvandling och plasticitet hos proverna.
Deras experiment visade att de omkristalliserade proverna som deformerats vid LNT uppvisade en mycket bättre kombination av styrka och duktilitet än de som deformerats vid rumstemperatur. Dessutom visade provet med den minsta kornstorleken vid båda temperaturerna den högsta sträckgränsen.
Dislokationsglidning identifierades som den huvudsakliga deformationsmekanismen vid rumstemperatur, medan deformationssamverkan blev dominerande vid LNT. Denna övergång av deformationsmekanismer framträdde som den främsta bidragande faktorn till de enastående mekaniska egenskaperna som observerades vid LNT. Dessutom föreslog teamet också ett modifierat Hall-Petch-förhållande som tar hänsyn till kryogena temperaturer för att förklara förstärkningsmekanismen.
Dr Liu säger, "Resultaten av studien ger viktiga insikter i deformationsprocesser av hexagonala metaller vid kryogena temperaturer. Detta kan leda till förbättrade processer för kontroll och design av metaller som tål extrema förhållanden."
Sammantaget förbättrar denna studie vår förståelse av mikrostrukturen och deformationsmekanismerna hos metaller som Ti och banar väg för utvecklingen av starkare och mer sega metaller.
Mer information: Cai Chen et al, Effekt av kornstorlek och temperatur på deformationsmekanismen för kommersiellt rent titan, Transactions of Nonferrous Metals Society of China (2023). DOI:10.1016/S1003-6326(23)66337-X
Tillhandahålls av Cactus Communications
