Xi'an Jiaotong University forskare avslöjar titans ultrahöga inre frakturseghet

Titan och titanlegeringar, kända för sin lätta, höga hållfasthet och korrosionsbeständighet, har använts i stor utsträckning inom flyg-, marinteknik och biomedicinska områden. Under de senaste åren, med den kontinuerliga utvecklingen av designkonceptet "skadetolerans" inom industrisektorn, har efterfrågan på titans brottseghet också ökat avsevärt. Trots årtionden av förbättringar av legeringsdesign och bearbetning har brottsegheten hos titan och titanlegeringar hållit sig under 130 MPa∙m1/2, mycket lägre än för vissa austenitiska rostfria stål och ytcentrerade kubiska medium/högentropilegeringar ( med brottseghet som överstiger 200 MPa∙m1/2). Denna begränsning har hindrat användningen av titan och titanlegeringar under kritiska belastningsförhållanden.

Förbättringen av brottsegheten hos metalliska material beror främst på deras inre seghetsmekanismer, som hindrar sprickutbredning genom att förstora den plastiska deformationszonen vid sprickspetsen. Med andra ord, ju större plastzonen är, desto högre brottseghet. Jämfört med ansiktscentrerade kubiska och kroppscentrerade kubiska metaller, uppvisar titan, med sin hexagonala tätpackade struktur, lägre gittersymmetri, vilket gör det lättare att aktivera prismatiskslip för att rymmariktningsdeformation. Dock för att rymma-axel deformation, deformation tvilling eller aktivering av pyramidalslip är nödvändigt. Twinning av deformation är vanligtvis enkelriktad och kan endast ta emot små plastpåfrestningar. Följaktligen en betydande mängd pyramidalslirning måste aktiveras för att uppfylla von Mises-kriteriet, vilket kräver minst fem oberoende slirsystem för plastisk deformationskoordination. Ändå den kritiska lösta skjuvspänningen för pyramidalglidningen är hög och dess kantdislokationskomponent är benägen att sönderfalla, vilket gör det svårt att koordinera deformation med skruvdislokationskomponenten och uppnå väsentlig självspridning. Bristen på-axeldeformationsmekanismer resulterar i en begränsad förmåga att uppnå jämn plastisk deformation med hög densitet vid sprickspetsen, vilket begränsar brottsegheten hos titan och titanlegeringar.

För att möta denna utmaning och låsa upp den fulla potentialen av titans brottseghet, genomförde forskare från Xi'an Jiaotong Universitys School of Materials Science and Engineering, ledd av professor Han Weizhong, en systematisk studie om brottsegheten hos rent titan. De upptäckte att syreföroreningar i titan är den primära faktorn som bidrar till dess otillräckliga brottseghet. Även spårmängder av syreföroreningar kan hämma deformationssammansättning och dislokationsaktivitet i titan, vilket avsevärt minskar den enhetliga plastiska deformationsförmågan vid sprickspetsen. Genom att minska innehållet av syreföroreningar från {{0}},14 viktprocent i kommersiellt rent titan till 0,02 viktprocent i titan med låg syrehalt, uppnådde forskargruppen en anmärkningsvärd ökning i brottseghet från 117 MPa∙m1/ 2 till 255 MPa∙m1/2. Denna prestation överträffar brottsegheten för alla rapporterade kommersiella rent titan och titanlegeringar, såväl som för de flesta metalliska material, vilket gör titan med låg syrehalt till ett av de tuffaste metalliska materialen som är kända hittills.

Studien avslöjade inte bara den ultrahöga inre brottsegheten hos titan utan bröt också den konventionella uppfattningen att titans brottseghet i sig är begränsad till under 130 MPa∙m1/2. Den betydande minskningen av syrehalten övervann utmaningen med att initiera-axeldeformationslägen i hexagonalt tätpackat titan vid rumstemperatur. Dessutom avslöjade forskningen en ny progressiv härdningsmekanism: minskningen av syrehalten underlättade den massiva aktiveringen av deformationstvillingar vid sprickspetsen (Figur 3), som fungerade som effektiva dislokationskällor, som avgav ett stort antaldislokationer (Figur 4). Den betydande aktiveringen av dessa två deformationslägen, som vanligtvis är svåra att initiera vid rumstemperatur, förbättrade avsevärt den enhetliga deformationsförmågan, deformationstätheten och plastiska zonstorleken vid sprickspetsen av titan med låg syrehalt, vilket effektivt gjorde sprickspetsen trubbig och uppvisade oöverträffad brottseghet.

Denna nya härdningsmekanism och strategin att minska innehållet av kritiska föroreningar ger nya insikter för att designa titanlegeringar med hög skadetolerans. Forskningsresultaten publicerades i den prestigefyllda internationella akademiska tidskriften "Advanced Materials" under titeln "Uncovering the Intrinsic High Fracture Toughness of Titanium via Lowered Oxygen Impurity Content". Den första författaren till uppsatsen är Xi'an Jiaotong Universitys doktorand Zou Xiaowei, och de motsvarande författarna är professorerna Han Weizhong och Ma En. Xi'an Jiaotong University är den enda motsvarande institutionen för detta arbete, som stöddes av National Natural Science Foundation of China och Young Top-Notch Talent Support Program vid Xi'an Jiaotong University.