Титан чрезвычайно чувствителен к малому количеству кислорода, что может привести к заметному снижению пластичности материала. Поэтому ученые-материаловеды стремятся снизить затраты на очистку титана, избегая при этом отравляющего воздействия кислорода. В новом докладе, посвященном научным достижениям, Ян Чонг и группа ученых в области материаловедения и инженерии из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в США подробно описали систематическое исследование чувствительности титана к кислороду. Команда представила четкий механистический взгляд на влияние примесей кислорода на механические свойства материала. Экспериментальная и вычислительная работа позволила получить представление об обосновании разработки титановых сплавов с повышенной устойчивостью к изменениям содержания интерстициалов (положение между регулярными положениями в массиве атомов материала), что существенно облегчило широкое использование титановых сплавов в космических аппаратах, военно-морских судах, самолетах и материаловедении.

Сплавы титана

Титановые сплавы обладают весьма желательными свойствами, включая коррозионную стойкость и высокую удельную прочность, что делает их привлекательными конструкционными материалами для широкого спектра коммерческих применений. Интерстициальные атомы могут быть намеренно или естественным образом включены, чтобы влиять на механические свойства титана. Кислород является преобладающей интерстициальной примесью, широко используемой в сплавах на основе титана для обеспечения мощного упрочняющего эффекта для различных применений. Титан также по своей природе дорог из-за жесткого контроля интерстициальных примесей во время их изготовления. Хотя исследователи задокументировали эффекты охрупчивания интерстициальных примесей в Альфа-титановых сплавах, механистическое происхождение аномальной чувствительности кислорода к механическим свойствам остается неясным, что ограничивает разработку и стратегию обработки сплавов. Материаловеды зафиксировали "волнообразный" переход дислокационных структур в плоскостные с увеличением содержания кислорода в металле. В настоящей работе Чонг и др. проведено систематическое многомасштабное исследование механических свойств и деформационных микроструктур титана.

Влияние кислорода на механические свойства титановых сплавов

Команда стремилась выявить природу полярности скольжения, связанную с более высоким содержанием кислорода по отношению к интерстициальной концентрации, скорости деформации и температуре деформации. Они приписывали заметную чувствительность титана к кислороду переходам в поведении дислокаций и двойникованию металла. Ученые обсудили атомное происхождение переходов относительно теории функционала плотности (DFT) и моделирования молекулярной динамики (MD), чтобы обеспечить более глубокое понимание для разработки интерстициально-толерантных титановых сплавов. Chong и соавт. испытаны три модельных сплава, включая чистый титан (с 0,05 мас. % или мас.%), Ti-0,10 (с 0,10 мас.%—Мас.%) и Ti-0,30 (с 0,30 МАС.%) при высокой температуре, комнатной температуре и криогенных температурах с использованием одноосных испытаний на растяжение. Незначительное изменение содержания кислорода вызывало заметные изменения механических свойств сплавов Ti-O при комнатной температуре и криогенных температурах. Наблюдаемые отказы сплавов Ti-0.30 при низких температурах высветили его ограниченность для применения в криогенных условиях. Потенциал деформационного упрочнения сплавов Ti-O снижался с увеличением содержания кислорода. Чистые Ti и Ti-0.10 демонстрировали отличные и почти идентичные скорости деформационного упрочнения при криогенной температуре.

Chong и соавт. затем исследовали типичные дислокационные морфологии сплавов Ti-O либо в волнообразном, либо в плоском режиме скольжения-доминанты через прерывистые растягивающие деформации при различных температурах и скоростях деформации. Они схематически объединили анализы зависимости морфологии дислокаций от температуры, скорости деформации и содержания кислорода. С помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ) команда исследовала репрезентативную морфологию дислокаций относительно скорости деформации, концентрации кислорода и температуры деформации. Они отметили склонность к переходу волнообразного скольжения в плоскостное (смещение одной части кристаллографической плоскости материала относительно другой плоскости и направления), возникающему при увеличении скорости деформации или скорости кислорода или при понижении температуры.

Хотя плоскостное скольжение часто отмечалось в сплавах Ti-O при криогенных температурах, лежащий в их основе механизм остается неизвестным. Предложенным механизмом может быть ближнее упорядочение (SRO) или регулярное и предсказуемое расположение атомов на небольшом расстоянии для атомов кислорода; однако исследователи еще не экспериментально проверили SRO кислорода в бинарной системе Ti-O с разбавленным содержанием кислорода. Поэтому группа рассчитала энергии диффузной противофазной границы (DAPB) и подтвердила, что плоское скольжение не зависит от температуры и деформации для сплавов на основе титана-алюминида (Ti-Al), в отличие от сплавов Ti-O, чье плоское скольжение зависит от температуры и деформации. Таким образом, ученые пришли к выводу о другом происхождении эволюционирующего плоского скольжения в сплавах Ti-O.

Chong и соавт. проведены расчеты DFT (теория функционала плотности) для предложения интерстициальных механизмов перетасовки (ISM) для температурной и скоростной зависимости волнообразно-плоских переходов скольжения в сплавах Ti-O. Основываясь на обобщенных энергиях дефектов укладки (GSF), полученных с помощью вычислительных расчетов, команда представила доказательства эффекта размягчения плоскости скольжения, связанного с процессом перетасовки в материале при более низких температурах и больших скоростях деформации. Атомы кислорода, которые перемещались внутри материала в процессе деформации, оставались на своих местах, уменьшая барьер для дальнейшего скольжения. Концепция двойникования может также привести к превосходным механическим свойствам титановых сплавов, наблюдаемым при криогенных температурах, где дислокационная активность обычно становится затруднительной.

На сегодняшний день исследователи сообщили о четырех распространенных деформационных режимах скручивания в титане, включая два двойника напряжения (T1 и T2) и два двойника сжатия (C1 и C2). Chong и соавт. рассмотрен обзор поведения двойникования в зависимости от содержания кислорода и температуры. С увеличением содержания кислорода двойные фракции при комнатной температуре непрерывно уменьшались до такой степени, что при комнатной температуре в сплавах Ti-0,30 не удавалось обнаружить заметных двойников. Активность двойникования существенно повышается в чистом Титане при криогенных температурах. Они приписали увеличенную характеристику в чистом Титане к более большому внутреннему уровню напряжения. Чтобы глубже понять аномальное поведение Близнецов, ученые изучили взаимодействие между кислородом и границами близнецов с помощью атомного моделирования.

Прогноз

Таким образом, Янь Чун и его коллеги рассмотрели систематическое влияние кислорода на морфологию дислокаций и фракцию двойникования, чтобы представить механистический взгляд на чувствительность кислорода к механическим свойствам титана. Они приписывали происхождение скорости температурной деформации и чувствительности к содержанию кислорода планарности скольжения сплава Ti-O движению атомов кислорода, а не ближнему упорядочению атомов. Модель интерстициальных механизмов перетасовки (ISM) дала объяснение наблюдаемой температурной и деформационной чувствительности плоского скольжения в сплавах Ti-O. Смоделированные стратегии проектирования сплавов, которые прервали процесс интерстициального перетасовки в этой работе, могут значительно увеличить межстициальный допуск титановых сплавов, чтобы обеспечить упрочняющие эффекты без сопутствующей жертвы пластичности.

ИСТОЧНИК