浙大最新研究:温度对合金层错能及变形机理的影响

在众多的合金应用中,由于钛和钛铝合金具有高强度,高耐腐蚀性以及高强度重量比特性,通常被用作重要材料,例如飞机机身,航空发动机等等。与其他金属或合金相比,钛和钛铝合金需要低温极端环境使用中具有的优异性能。因此研究钛和钛合金材料变形机制的影响,以及合金元素对缺陷行为随温度降低的影响备受广泛关注。

近日,来自浙江大学和西安交通大学的一项研究通过运用位错表征,以及原位电子显微镜下的材料结构和性能同步表征技术,研究了高纯钛和Ti-5at%Al中在室温和液氮温度下的应变过程,分析了温度对钛和钛铝合金堆垛层错能及变形机理。相关论文以题为“Temperature Efect on Stacking Fault Energy and Deformation Mechanisms in Titanium and Titanium-aluminium Alloy”于2月20日发表在Scientific Reports。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41598-020-60013-6

在这项工作中,研究人员发现Al在Ti-5AT%Al刃型位错核心处的偏聚产生了很强的阻碍作用,促进了室温交叉滑移。然而,随着温度的降低,Al能够显著降低堆垛层错能(SFE)。而在液氮温度下,Ti-5AT%Al的堆垛层错能较低,导致普通平面位错滑移,而Ti则发生大量的位错交叉滑移。

浙大最新研究:温度对合金层错能及变形机理的影响

据广泛报道,即使是少量的合金化原子也能对材料的力学性能产生重大影响。合金化对力学性能的影响不仅与溶质原子的类型有关,还要考虑合金原子的去向。为了进一步说明,本文研究了Ti-5at%Al合金基体中的原子在刃位错核和螺位错核处的分布。通过观察发现Ti、Al原子在螺位错核处分布比较均匀,而Al原子在刃位错核处有偏聚的趋势。通过倾斜跟踪螺位错,获得了螺位错核的原子分辨率图像。

浙大最新研究:温度对合金层错能及变形机理的影响

浙大最新研究:温度对合金层错能及变形机理的影响

然而,在低温下,人们普遍观察到高纯钛中的螺位错不仅只通过平面滑移方式滑移,而是呈现“蛇形”滑移痕迹,这表明其滑移过程中经常发生交叉滑移,这一现象与Ti-5at%Al室温变形时偶然观察到的现象相似。而在Ti-5at%Al中,没有观察到交叉滑移,螺位错沿棱柱面滑移而形成平面滑移。另外Ti-5at%Al在低温下,位错运动不能保持平稳顺畅,而是发生跳动,同时,堆垛层错滑移现象很少发生。无论是高纯钛还是Ti-5at%Al,在液氮温度下的位错运动都明显比室温下的要难。在低温下,高纯Ti的位错运动甚至比Ti-5AT%Al更难,这在以前被认为是完全不太可能的。

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为了研究Al对α-Ti中位错塑性的影响以及温度对堆垛层错能量的影响,研究者分别通过嵌入原子法和蒙特卡洛法研究了金属的变形行为并进一步优化。研究显示在棱柱形{1100}平面上形成堆叠缺陷,添加铝可能会改变能量并在γ表面局部存在,但不改变最小能量路径和稳定堆垛的位置。而温度对高纯Ti中的堆垛层错能量影响很小,但对Ti-Al系统有明显的影响,即,堆垛层错能随着温度的降低而大大降低,而Ti-5at%Al的SFE总是低于纯Ti。

综上所述,结合该项实验和模拟结果,发现合金元素对钛变形机制的影响与温度高度相关,这主要是因为合金元素会导致层错能发生变化。然而铝的偏析会引起强烈的阻碍作用,从而在室温下促进交滑移,铝减小层错能的作用随着温度的降低愈发明显。由于合金的应用通常面临各种环境,因此这种温度相关的合金效应值得特别关注。与此同时,这也为钛及钛合金材料变形机制研究提供了理论基础。(文:冯冯)

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