Mekanisk adfærd af ren Ti, Ti-0,1O, og Ti-0,3O legeringer ved stuetemperatur (RT) (~300 K) og kryogen temperatur (~100 K). (A) Repræsentative tekniske spændings-tøjningskurver for de tre legeringer med en tøjningshastighed på 10-3 s-1. (B) Tilsvarende sande spændingsægte tøjningskurver (optrukne linjer) og tøjningshærdningshastighed (symboler) kurver for de tre legeringer. (C) Brudtomografi af rent Ti ved stuetemperatur. (D) Brudtomografi af rent Ti ved kryogen temperatur. (E) Frakturtomografi af Ti-0,3O ved kryogen temperatur. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Titanium er ekstremt følsomt over for små mængder ilt, hvilket kan føre til markant nedsat duktilitet af materialet. Materialeforskere sigter derfor mod at sænke omkostningerne ved at rense titanium, samtidig med at man undgår iltens forgiftningsvirkninger. I en ny rapport nu på Videnskabens fremskridt , Yan Chong, og et team af videnskabsmænd inden for materialevidenskab og teknik ved University of California Berkeley og Lawrence Berkeley National Laboratory i USA, detaljerede en systematisk undersøgelse af iltfølsomhed af titanium. Holdet gav et klart mekanistisk billede af virkningerne af ilturenheder på materialets mekaniske egenskaber. Det eksperimentelle og beregningsmæssige arbejde gav indsigt for en begrundelse for at designe titanlegeringer med øget tolerance over for variationerne i interstitielt indhold (en position mellem de regulære positioner i en række atomer i et materiale), med bemærkelsesværdige implikationer for at lette den udbredte brug af titanlegeringer i rumfartøjer, flådeskibe, fly- og materialeteknik.
Titanium legeringer
Titaniumlegeringer indeholder meget ønskværdige egenskaber, herunder korrosionsbestandighed og høj specifik styrke, hvilket gør dem attraktive strukturelle materialer på tværs af en bred vifte af kommercielle anvendelser. Interstitielle atomer kan bevidst eller naturligt inkorporeres for at påvirke titaniums mekaniske egenskaber. Ilt er en overvejende interstitiel urenhed, udbredt i titanium-baserede legeringer for at muliggøre en kraftig styrkende effekt til forskellige applikationer. Titanium er også i sagens natur dyrt på grund af den stramme kontrol af interstitielle urenheder under deres fremstilling. Selvom forskere har dokumenteret skørhedsvirkningerne af interstitielle urenheder i alfa-titanium-legeringer, den mekanistiske oprindelse af den unormale iltfølsomhed på de mekaniske egenskaber mangler at blive forstået, derved begrænser legeringsdesign og forarbejdningsstrategier. Materialeforskere havde dokumenteret en "bølget-til-plan" overgang af dislokationsarrangementer med stigende iltindhold i metallet. I nærværende arbejde, Chong et al. gennemførte en systematisk multiskala undersøgelse af titaniums mekaniske egenskaber og deformationsmikrostrukturer.
Sammenligning af typiske dislokationsmorfologier (bølget eller plan glidning dominerende) i Ti-O-legeringer efter afbrudte trækdeformationer ved forskellige temperaturer (500, 300, og 100 K) og tøjningshastigheder (10−5s−1, 10−3s−1, 10−1s−1, og 2 s−1). Trækspændingen var 4,0 % for alle mikrostrukturerne. (A) 3D-diagram, der viser den kombinerede analyse af temperatur, belastningshastighed, og iltindholdsafhængigheder af dislokationsmorfologier i Ti-O-legeringer. En generel tendens til bølge-til-plan glideovergang forekom med enten stigende belastningshastighed, dvs. fra (C) (ren Ti, 10−1 s−1, LN2) til (B) (ren Ti, 2 s−1, LN2), eller stigende iltindhold, dvs. fra (D) (Ti-0,1O, 10−5 s−1, LN2) til (E) (Ti-0,3O, 10−5 s−1, LN2), eller faldende temperatur, dvs. fra (F) (Ti-0,3O, 10−3 s−1, RT) til (G) (Ti-0,3O, 10−3 s−1, LN2). Overgangsgrænsen, der afgrænser bølgede glidedominante og plane glidningsdominante områder, skiftede gradvist mod en højere temperatur og lavere belastningshastighedsretning med stigende iltindhold. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Holdet havde til formål at afsløre arten af slippolaritet forbundet med højere iltindhold i forhold til interstitiel koncentration, belastningshastighed og deformationstemperaturer. De krediterede den markante iltfølsomhed i titanium til overgange i dislokationsadfærd og twinning-aktivitet af metallet. Forskerne diskuterede den atomare oprindelse af overgange i forhold til tæthed funktionel teori (DFT) og molekylær dynamik (MD) simuleringer for at give dybere indsigt til at designe interstitiel-tolerante titanlegeringer. Chong et al. testet tre modellegeringer inklusive rent titanium (med 0,05 vægtprocent eller vægt-%), Ti-0,10 (med 0,10 vægtprocent-vægt%) og Ti-0,30 (med 0,30 vægt%) ved høj temperatur, stuetemperatur og kryogene temperaturer ved hjælp af enaksede træktest. En lille variation i iltindholdet forårsagede markante ændringer i de mekaniske egenskaber af Ti-O-legeringer ved stuetemperatur og kryogene temperaturer. De observerede fejl i Ti-0,30 legeringer ved lave temperaturer fremhævede dets begrænsninger for anvendelser under kryogene forhold. Tøjningshærdningspotentialet for Ti-O-legeringerne faldt med stigende oxygenindhold. Rent Ti og Ti-0,10 udviste fremragende og næsten identiske belastningshærdningshastigheder ved kryogen temperatur.
Dislokationsaktivitet
Skematisk illustration af ISM af glideplans blødgøring. (A) HCP-gitter med oktaedriske (hvide) og hexaedriske (blå) steder, og prismatisk, pyramideformet, og basalplaner (røde, blå, og grøn). (B) Orientering for trinene af dislokationsglidning vist i (I) til (L). (C) Modificeret GSF-energi på det prismatiske plan beregnet med DFT. (D) til (H) viser iltposition for udvalgte trin, startende fra oktaedrisk (D). (E) viser det forvrængede oktaedriske sted ved maksimum i energi. I trin (F) og (H), ilten er i et oktaedrisk sted dannet ved stablingsforkastningen. (G) viser det hexaedriske sted. (I) til (L) viser de vigtigste trin i ISM-modellen. I (I), den første dislokation (krydssymbol) på et prismatisk plan støder på en oktaedrisk ilt, og slip modstås. Det overvinder til sidst denne forhindring og blander ilten til det hexaedriske sted (J). Dislokationen fortsætter med at glide, og efterfølgende dislokationer følger efter (K). Disse dislokationer ser en reduceret barriere fra den hexaedriske ilt og glider således let på dette plan (L). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Chong et al. undersøgte derefter de typiske dislokationsmorfologier af Ti-O-legeringer enten i en bølget eller plan glidedominant tilstand gennem afbrudte trækdeformationer ved forskellige temperaturer og tøjningshastigheder. De kombinerede skematisk analyserne af temperatur, belastningshastighed og iltindholdsafhængighed af dislokationsmorfologien. Ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi (TEM) undersøgte holdet de repræsentative dislokationsmorfologier i forhold til belastningshastigheden, iltkoncentration og deformationstemperatur. De bemærkede følsomheden for, at en bølge-til-plan glideovergang (forskydning af en del af materialets krystallografiske plan i forhold til et andet plan og retning) opstår, når belastningshastigheden eller oxygenhastigheden øges, eller med faldende temperatur.
Selvom den plane glidning ofte blev rapporteret i Ti-O-legeringer ved kryogene temperaturer, den underliggende mekanisme forbliver ukendt. Kortrækkende-ordening (SRO) eller det regelmæssige og forudsigelige arrangement af atomer over en kort afstand, for oxygenatomer, kunne være en foreslået mekanisme; imidlertid, forskere har endnu ikke eksperimentelt verificeret SRO for oxygen i det binære Ti-O-system med et fortyndet oxygenindhold. Holdet beregnede derfor de diffuse antifasegrænseenergier (DAPB) og bekræftede, at plan glidning var temperatur- og belastningsuafhængig for titanium-aluminid (Ti-Al)-baserede legeringer, i markant kontrast til Ti-O-legeringer, hvis plane slip afhang af temperatur og tøjning. Forskerne udledte derfor en anden oprindelse end den udviklende plane slip i Ti-O-legeringer.
Interstitiel shuffling i Ti-O-systemet og deformations-twinning
Omvendt polfigur (IPF) + billedkvalitet (IQ) kort af Ti-O-legeringer efter brud på træk ved stuetemperatur (RT) og kryogen temperatur (LN2), med en tøjningshastighed på 10−3s−1. (A) Ren Ti, RT, og brudtøjning:0,40. (B) Ti-0,10, RT, og brudtøjning:0,28. (C) Ti-0,3O, RT, og brudtøjning:0,16. (D) Ren Ti, LN2, og brudtøjning:0,60. (E) Ti-0,1O, LN2, og brudtøjning:0,56. (F) Ti-0,3O, LN2, og brudtøjning:0,04. Trækretningen er vandret for alle mikrostrukturer. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Karakterisering af Ti-0,3O-legering efter brud på træk ved kryogen temperatur. (A) Optisk mikroskopi af området nær frakturoverfladen, hvor adskillige mikrorevner (som angivet med gule pile) blev observeret langs korngrænserne. (B) Tvillinggrænsekort, der viser typerne af tvillinger nær brudfladen [i henhold til farverne vist i (G)]. (C) og (D) er IPF-kortet og tvillingegrænsekortet, der viser et typisk eksempel på mikrorevner, der dannes på de punkter, hvor {11-24} tvillinger blev blokeret ved korngrænserne. (E) Fejlorienteringsvinkelprofilen, hvor en tydelig top blev fundet ved 77°, bekræfter overvægten af {11-24} tvillinger i Ti-0,3O deformeret ved kryogen temperatur. (F) HRTEM-billedet (fra en zoneakse på [-5143]) af en {11-24} tvilling løftet ud fra rektangelområdet i (B) ved hjælp af den fokuserede ionstråle (FIB) metode. (G) Farverne brugt i panel B og D. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Chong et al. udførte DFT-beregninger (density functional theory) for at foreslå interstitielle shuffling-mekanismer (ISM) for temperatur- og hastighedsafhængighed af bølge-til-plan glideovergange i Ti-O-legeringer. Baseret på generaliseret stablingsfejl (GSF) energier opnået via beregningsberegninger, holdet fremlagde bevis for glideplanets blødgørende effekt forbundet med blandingsprocessen i materialet ved lavere temperaturer og større belastningshastigheder. Iltatomerne, der fortrængtes i materialet under deformationsprocessen, forblev i deres positioner, reducerer barrieren for yderligere glidning. Konceptet med twinning kan også give anledning til fremragende mekaniske egenskaber af titanlegeringer observeret ved kryogene temperaturer, hvor dislokationsaktiviteter typisk bliver vanskelige.
Forskere har til dato rapporteret om fire almindelige deformationssnoningstilstande i titanium, inklusive to spændinger tvillinger (T1 og T2) og to kompression tvillinger (C1 og C2). Chong et al. betragtes som en oversigt over venskabsbyernes adfærd som funktion af iltindhold og temperatur. Med stigende iltindhold, tvillingefraktionerne ved stuetemperatur blev kontinuerligt reduceret til det punkt, hvor ingen nævneværdige tvillinger kunne påvises i Ti-0,30 legeringer ved stuetemperatur. Twinning-aktiviteten forbedredes væsentligt i rent titanium ved kryogene temperaturer. De krediterede den forbedrede funktion i rent titanium til et større indre stressniveau. For yderligere at forstå tvillingers unormale adfærd, forskerne undersøgte vekselvirkningerne mellem ilt og tvillingegrænser ved hjælp af atomsimuleringer.
Outlook
På denne måde Yan Chong og kolleger betragtede den systematiske indflydelse af ilt på dislokationsmorfologien og twinning-fraktionen for at præsentere et mekanistisk syn på iltfølsomhed på de mekaniske egenskaber af titanium. De krediterede oprindelsen af temperaturbelastningshastigheden og iltindholdsfølsomheden af Ti-O-legeringsglidningsplanaritet til oxygenatomernes bevægelse i stedet for kortrækkende rækkefølge af atomer. Modellen af interstitielle shuffling-mekanismer (ISM) gav en forklaring på den observerede temperatur og belastningsfølsomhed af plan glidning i Ti-O-legeringer. De simulerede legeringsdesignstrategier, der afbrød den interstitielle shuffling-proces i dette arbejde, kan især øge den interstitielle tolerance af titanlegeringer for at tilbyde forstærkende effekter uden et medfølgende offer i duktilitet.
© 2020 Science X Network
Sidste artikelHar du travlt med at udvikle medicin? Her er din chat
Næste artikelEn keramisk resurfacing-protese til hofteled