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鈦合金又發Nature communications：晶粒細化防止低溫氧脆

2023-02-21 17:23:38 作者：材料人來源：材料人分享至：

一、【前沿導讀】

在鈦合金中，O元素可謂是一把雙刃劍，既可以起到強化作用，但同時極大地降低了合金的塑性。當合金中的O含量達到3%時，合金在77K表現出極差的塑性，阻礙了鈦合金在液體火箭發動機以及液氮/氦容器中的應用。O元素的添加導致合金從穿晶斷裂轉變為晶內斷裂。在實際生產中，應盡量控制O的含量，這無疑增加了其成本。這種不利于鈦延展性的氧敏感性的機制很大程度上歸因于局部塑性變形和脆弱的晶界。如何保持高O鈦合金具有較高的延展性已經成為了國際性難題。

二、【成果掠影】

近日，來自美國加利福尼亞大學的Andrew M. Minor教授，日本京都大學的Nobuhiro Tsuji和Tomohito Tsuru教授提出了一種晶粒細化的結構策略，成功解決了上述問題。在Ti-0.3wt中，超細晶粒(UFG)微觀結構(晶粒尺寸~ 2.0 μ m)的均勻伸長與77 K時極脆的粗晶粒相比，成功地提高了一個數量級，并保持了UFG微觀結構固有的超高屈服強度。這種獨特的強度-延展性協同是通過稀釋的晶界偏析(有助于提高晶界結合能)和增強的<c + a>位錯活性(有助于提高應變硬化能力)共同作用實現的。這種策略不僅促進高強度Ti-O合金在低溫下的潛在應用，而且還可以應用于其他合金體系。相關成果以“Grain refinement in titanium prevents low temperature oxygen embrittlement”發表在國際著名期刊Nature Communications上。

三、【核心創新點】

(1) 創造性的提出晶粒細化策略用于解決高O鈦合金的低溫氧脆問題；

(2) 發現細化晶粒可以稀釋晶界處O含量并提高<c + a>位錯活性；

四、【數據概況】

圖3 77 K下粗晶(CG)純Ti和Ti-0.3 O的介觀變形行為；a CG純Ti和Ti-0.3 O在77 k時的工程應力-應變曲線；b斷塑性應變為2.0%、14%和50%時CG純Ti的EBSD反極圖(IPF)圖；c CG Ti-0.3O拉伸斷裂(1.5%)后的背散射電子(BSE)圖像，其中GB裂紋和滑移帶分別用黃色箭頭和白色箭頭表示；d CG Ti-0.3O中TB/GB交點和平面滑移帶兩個代表區域的ebsd衍生交叉相關性殘余應變場。e c的IPF圖，其中突出顯示了納米孿晶在TB/GB相互作用下的活化。© 2022 The authors

圖4 超細晶(UFG)純Ti和Ti-0.3 O在77 K下的細觀變形行為; a UFG純Ti和Ti-0.3 O在77 K下的工程應力-應變曲線。插入兩種合金的真應力-應變曲線和應變硬化速率曲線。b塑性應變為2.0%、14%和30%時UFG純Ti的IPF圖。c UFG純Ti在應變為12%時的{112}和{102}孿晶的高分辨率TEM圖像和快速傅里葉變換(FFT)模式。d塑性應變為2.0%和14%時UFG Ti-0.3O的IPF圖，以及KAM圖. © 2022 The authors

圖5 CG和UFG Ti-0.3 O的GB化學分析；a Ti-0.3O CG (D = 68µm)BSE圖像；b Ti-0.3O UFG (D = 2.0µm) BSE圖像；c，d Ti-0.3O CG和UFG樣品的透射電鏡(TEM)圖像；e，f CG和UFG樣品的氧原子圖(綠色)，其中晶界位置由TEM圖像上的箭頭指示；g CG和UFG Ti-0.3O樣品中間隙元素(O、C和N)跨晶界的成分分布；h氧與溶質相互作用的第一性原理計算結果；© 2022 The authors

圖6 77 K Ti-0.3O變形CG和UFG中位錯的透射電鏡表征；a 77 K拉伸斷裂(ε_f ~ 1.5%)后，CG Ti-0.3O合金中出現排列良好的(10-10)柱面位錯滑移；b在77 K塑性應變為2.5%的UFG Ti-0.3O合金中，位錯在晶粒內均勻分布；c UFG Ti-0.3O在77 K條件下，變形2.5%時的位錯雙束條件分析。可觀察到大量<c + a >位錯(c-i和c-iii)，并與< a >位錯以波狀構型(c-ii和c-iv)相互作用。© 2022 The authors

五、【成果啟示】

當晶粒尺寸下降到超細晶時，將引發鈦合金的一系列性能響應，如力學性能，晶界偏析，氧化性能，蠕變性能等。本文的發現是阻止鈦合金氧化脆性的里程碑。

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