Xi'an Jiaotong University-forskere avdekker titans ultrahøye indre bruddseighet

Titan og titanlegeringer, kjent for sin lette, høye styrke og korrosjonsbestandighet, har blitt mye brukt innen romfart, marin engineering og biomedisinske felt. De siste årene, med den kontinuerlige utviklingen av designkonseptet "skadetoleranse" i industrisektoren, har etterspørselen etter titans bruddseighet også økt betydelig. Til tross for flere tiår med forbedringer av legeringsdesign og prosessering, har imidlertid bruddseigheten til titan og titanlegeringer holdt seg under 130 MPa∙m1/2, langt lavere enn for noen austenittiske rustfrie stål og flatesentrerte kubiske medium/høyentropi legeringer ( med bruddseighet over 200 MPa∙m1/2). Denne begrensningen har hindret påføring av titan og titanlegeringer under kritiske belastningsforhold.

Forbedringen i bruddseigheten til metalliske materialer avhenger først og fremst av deres interne herdemekanismer, som hindrer sprekkforplantning ved å forstørre den plastiske deformasjonssonen ved sprekkspissen. Med andre ord, jo større plastsonen er, desto høyere bruddseighet. Sammenlignet med ansiktssentrerte kubiske og kroppssentrerte kubiske metaller, viser titan, med sin sekskantede tettpakkede struktur, lavere gittersymmetri, noe som gjør det lettere å aktivere prismatiskslip for å imøtekommeretningsdeformasjon. Imidlertid for å imøtekomme-akse deformasjon, deformasjon tvilling eller aktivering av pyramidalslip er nødvendig. Deformasjonstwinning er vanligvis ensrettet og kan bare romme små plastiske belastninger. Følgelig en betydelig mengde pyramideformetslip må aktiveres for å oppfylle von Mises-kriteriet, som krever minst fem uavhengige slipsystemer for plastisk deformasjonskoordinering. Likevel, den kritiske løst skjærspenning for pyramidalslip er høy, og kantdislokasjonskomponenten er utsatt for dekomponering, noe som gjør det vanskelig å koordinere deformasjon med skruedislokasjonskomponenten og oppnå betydelig selvspredning. Knappheten på-akse deformasjonsmekanismer resulterer i en begrenset evne til å oppnå jevn plastisk deformasjon med høy tetthet ved sprekkspissen, og begrenser dermed bruddseigheten til titan og titanlegeringer.

For å møte denne utfordringen og frigjøre det fulle potensialet til titans bruddseighet, utførte forskere fra Xi'an Jiaotong Universitys School of Materials Science and Engineering, ledet av professor Han Weizhong, en systematisk studie på bruddseigheten til rent titan. De oppdaget at oksygenforurensninger i titan er den primære faktoren som bidrar til dens utilstrekkelige bruddseighet. Selv spormengder av oksygenforurensninger kan hemme deformasjonstvilling og dislokasjonsaktivitet i titan, noe som reduserer den jevne plastiske deformasjonsevnen ved sprekkspissen betydelig. Ved å redusere oksygenforurensningsinnholdet fra {{0}},14 vekt% i kommersielt rent titan til 0,02 vekt% i titan med lite oksygen, oppnådde forskerteamet en bemerkelsesverdig økning i bruddseighet fra 117 MPa∙m1/ 2 til 255 MPa∙m1/2. Denne prestasjonen overgår bruddseigheten til alle rapporterte kommersielle rene titan og titanlegeringer, så vel som for de fleste metalliske materialer, noe som gjør titan med lite oksygen til et av de tøffeste metalliske materialene som er kjent til dags dato.

Studien avslørte ikke bare den ultrahøye iboende bruddseigheten til titan, men brøt også den konvensjonelle troen på at titans bruddseighet iboende er begrenset til under 130 MPa∙m1/2. Den betydelige reduksjonen i oksygeninnhold overvant utfordringen med å starte-aksedeformasjonsmoduser i sekskantet tettpakket titan ved romtemperatur. Videre avdekket forskningen en ny progressiv herdingsmekanisme: reduksjonen i oksygeninnhold lettet den massive aktiveringen av deformasjonstvillinger ved sprekkspissen (Figur 3), som fungerte som effektive dislokasjonskilder, og sendte ut et stort antalldislokasjoner (Figur 4). Den betydelige aktiveringen av disse to deformasjonsmodusene, som vanligvis er vanskelige å initiere ved romtemperatur, forbedret den jevne deformasjonsevnen, deformasjonstettheten og plastsonestørrelsen ved sprekkspissen av titan med lavt oksygennivå, og gjorde sprekkspissen effektivt sløv og viste enestående bruddseighet.

Denne nye herdemekanismen og strategien for å redusere innhold av kritiske urenheter gir ny innsikt for utforming av titanlegeringer med høy skadetoleranse. Forskningsfunnene ble publisert i det prestisjetunge internasjonale akademiske tidsskriftet "Advanced Materials" under tittelen "Uncovering the Intrinsic High Fracture Toughness of Titanium via Lowered Oxygen Impurity Content." Den første forfatteren av artikkelen er doktorgradsstudent Zou Xiaowei ved Xi'an Jiaotong-universitetet, og de medkorresponderende forfatterne er professorene Han Weizhong og Ma En. Xi'an Jiaotong University er den eneste tilsvarende institusjonen for dette arbeidet, som ble støttet av National Natural Science Foundation of China og Young Top-Notch Talent Support Program ved Xi'an Jiaotong University.