science >> Wetenschap >  >> Chemie

Mechanistische basis van zuurstofgevoeligheid in titanium

Mechanisch gedrag van zuivere Ti, Ti-0.1O, en Ti-0.3O legeringen bij kamertemperatuur (RT) (~ 300 K) en cryogene temperatuur (~ 100 K). (A) Representatieve technische spannings-rekcurves van de drie legeringen met een reksnelheid van 10−3 s−1. (B) Overeenkomstige echte spanning-true rekkrommen (ononderbroken lijnen) en spanningsverhardingssnelheid (symbolen) krommen van de drie legeringen. (C) Fractuurtomografie van zuiver Ti bij kamertemperatuur. (D) Fractuurtomografie van zuiver Ti bij cryogene temperatuur. (E) Fractuurtomografie van Ti-0.3O bij cryogene temperatuur. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.abc4060

Titanium is extreem gevoelig voor kleine hoeveelheden zuurstof, wat kan leiden tot een duidelijk verminderde taaiheid van het materiaal. Materiaalwetenschappers streven er daarom naar om de kosten van het zuiveren van titanium te verlagen, terwijl de vergiftigingseffecten van zuurstof worden vermeden. In een nieuw verslag nu op wetenschappelijke vooruitgang , Yan Chong, en een team van wetenschappers in materiaalwetenschap en techniek aan de University of California Berkeley en het Lawrence Berkeley National Laboratory in de VS, gedetailleerd een systematisch onderzoek naar de zuurstofgevoeligheid van titanium. Het team gaf een duidelijk mechanisch beeld van de effecten van zuurstofonzuiverheden op de mechanische eigenschappen van het materiaal. Het experimentele en computationele werk leverde inzichten op voor een reden om titaniumlegeringen te ontwerpen met verhoogde tolerantie voor de variaties in interstitiële inhoud (een positie tussen de reguliere posities in een reeks atomen in een materiaal), met opmerkelijke implicaties om het wijdverbreide gebruik van titaniumlegeringen in ruimtevaartuigen te vergemakkelijken, marineschepen, vliegtuigbouw en materiaalkunde.

Titanium legeringen

Titaniumlegeringen bevatten zeer wenselijke eigenschappen, waaronder corrosieweerstand en hoge specifieke sterkte, waardoor ze aantrekkelijke structurele materialen zijn voor een breed scala aan commerciële toepassingen. Interstitiële atomen kunnen opzettelijk of natuurlijk worden ingebouwd om de mechanische eigenschappen van titanium te beïnvloeden. Zuurstof is een overheersende interstitiële onzuiverheid, algemeen toegepast in op titanium gebaseerde legeringen om een ​​krachtig versterkend effect voor diverse toepassingen mogelijk te maken. Titanium is ook inherent duur vanwege de strikte controle van interstitiële onzuiverheden tijdens hun productie. Hoewel onderzoekers de verbrossingseffecten van interstitiële onzuiverheden in alfa-titaniumlegeringen hebben gedocumenteerd, de mechanistische oorsprong van de abnormale zuurstofgevoeligheid op de mechanische eigenschappen moet nog worden begrepen, waardoor legeringsontwerp en verwerkingsstrategieën worden beperkt. Materiaalwetenschappers hadden een "golvende-naar-vlakke" overgang van dislocatie-arrangementen gedocumenteerd met een toenemend zuurstofgehalte in het metaal. In het huidige werk, Chong et al. voerde een systematisch multischaalonderzoek uit naar de mechanische eigenschappen en vervormingsmicrostructuren van titanium.

Vergelijking van typische dislocatiemorfologieën (golvende of vlakke slip dominant) in Ti-O legeringen na onderbroken trekvervormingen bij verschillende temperaturen (500, 300, en 100 K) en reksnelheden (10−5s−1, 10−3s−1, 10−1s−1, en 2 s-1). De treksterkte was 4,0% voor alle microstructuren. (A) 3D-diagram dat de gecombineerde analyse van temperatuur laat zien, reksnelheid, en afhankelijkheden van het zuurstofgehalte van dislocatiemorfologieën in Ti-O-legeringen. Een algemene neiging van golf-naar-vlak slipovergang deed zich voor bij ofwel toenemende reksnelheid, d.w.z., van (C) (zuiver Ti, 10−1 s−1, LN2) tot (B) (zuiver Ti, 2 s−1, LN2), of het verhogen van het zuurstofgehalte, d.w.z., van (D) (Ti-0,1O, 10−5 s−1, LN2) tot (E) (Ti-0.3O, 10−5 s−1, LN2), of dalende temperatuur, d.w.z., van (F) (Ti-0.3O, 10−3 s−1, RT) tot (G) (Ti-0.3O, 10−3 s−1, LN2). De overgangsgrens die golvende slip-dominante en vlakke slip-dominante gebieden afbakent, verschoof geleidelijk naar een hogere temperatuur en een lagere reksnelheid met toenemend zuurstofgehalte. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.abc4060

De invloed van zuurstof op de mechanische eigenschappen van titaniumlegeringen

Het team wilde de aard van slippolariteit onthullen die verband houdt met een hoger zuurstofgehalte in verhouding tot de interstitiële concentratie, reksnelheid en vervormingstemperaturen. Ze schreven de duidelijke zuurstofgevoeligheid in titanium toe aan overgangen in dislocatiegedrag en twinning-activiteit van het metaal. De wetenschappers bespraken de atomaire oorsprong van de overgangen ten opzichte van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) en moleculaire dynamica (MD) -simulaties om diepere inzichten te verschaffen voor het ontwerpen van interstitiële tolerante titaniumlegeringen. Chong et al. drie modellegeringen getest, waaronder puur titanium (met 0,05 gewichtspercentage of wt %), Ti-0.10 (met 0.10 gewichtspercentage-wt%) en Ti-0.30 (met 0.30 wt%) bij hoge temperatuur, kamertemperatuur en cryogene temperaturen met behulp van uniaxiale trekproeven. Een kleine variatie van het zuurstofgehalte veroorzaakte duidelijke veranderingen in de mechanische eigenschappen van Ti-O-legeringen bij kamertemperatuur en cryogene temperaturen. De waargenomen mislukkingen van Ti-0.30 legeringen bij lage temperaturen benadrukten de beperkingen voor toepassingen bij cryogene omstandigheden. Het spanningsverhardingsvermogen van de Ti-O-legeringen nam af met toenemend zuurstofgehalte. Zuiver Ti en Ti-0.10 vertoonden uitstekende en bijna identieke hardingssnelheden bij cryogene temperatuur.

dislocatie activiteit

Schematische illustratie van ISM van glijvlakverzachting. (A) HCP-rooster met octaëdrische (wit) en hexaëdrische (blauwe) plaatsen, en prismatisch, piramidaal, en basale vlakken (rood, blauw, en groen). (B) Oriëntatie voor de stappen van dislocatie slip weergegeven in (I) tot (L). (C) gemodificeerde GSF-energie op het prismatische vlak berekend met DFT. (D) tot (H) tonen zuurstofpositie voor geselecteerde stappen, beginnend met octaëdrische (D). (E) toont de vervormde octaëdrische plaats bij het maximum in energie. In stappen (F) en (H), de zuurstof bevindt zich op een octaëdrische plaats gevormd bij de stapelfout. (G) toont de hexahedral site. (I) tot (L) demonstreren de belangrijkste stappen in het ISM-model. Bij (ik), de eerste dislocatie (kruissymbool) op een prismatisch vlak ontmoet een octaëdrische zuurstof en slip wordt tegengegaan. Het overwint uiteindelijk dit obstakel en schudt de zuurstof naar de hexahedrale plaats (J). De dislocatie blijft wegglijden, en daaropvolgende dislocaties volgen (K). Deze dislocaties zien een verminderde barrière van de hexaëdrische zuurstof en glijden dus gemakkelijk op dit vlak (L). Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.abc4060

Chong et al. onderzocht vervolgens de typische dislocatiemorfologieën van Ti-O-legeringen, hetzij in een golvende of vlakke slip-dominante modus door onderbroken trekvervormingen bij verschillende temperaturen en reksnelheden. Ze combineerden schematisch de analyses van temperatuur, reksnelheid en zuurstofgehalte afhankelijkheid van de dislocatiemorfologie. Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) onderzocht het team de representatieve dislocatiemorfologieën ten opzichte van de reksnelheid, zuurstofconcentratie en vervormingstemperatuur. Ze merkten de gevoeligheid op voor een golf-naar-vlak slipovergang (verplaatsing van een deel van het kristallografische vlak van het materiaal ten opzichte van een ander vlak en richting) die optreedt wanneer de reksnelheid of de zuurstofsnelheid toeneemt, of met dalende temperatuur.

Hoewel de vlakke slip vaak werd gemeld in Ti-O-legeringen bij cryogene temperaturen, het onderliggende mechanisme blijft onbekend. De short-range-ordering (SRO) of de regelmatige en voorspelbare rangschikking van atomen over een korte afstand, voor zuurstofatomen, zou een voorgesteld mechanisme kunnen zijn; echter, onderzoekers hebben de SRO van zuurstof in het Ti-O-binaire systeem met een verdund zuurstofgehalte nog niet experimenteel geverifieerd. Het team berekende daarom dat de diffuse antifasegrens (DAPB) energieën en bevestigde vlakke slip temperatuur- en spanningsonafhankelijk zijn voor op titanium-aluminide (Ti-Al) gebaseerde legeringen, in schril contrast met Ti-O-legeringen waarvan de vlakke slip afhing van de temperatuur en spanning. De wetenschappers hebben daarom een ​​andere oorsprong afgeleid voor de evoluerende vlakke slip in Ti-O-legeringen.

Interstitiële shuffelen in het Ti-O-systeem en deformatietwinning

  • Inverse pool figure (IPF) + beeldkwaliteit (IQ) kaarten van Ti-O legeringen na trekbreuk bij kamertemperatuur (RT) en cryogene temperatuur (LN2), met een reksnelheid van 10−3s−1. (A) Zuivere Ti, RT, en breukrek:0,40. (B) Ti-0,10, RT, en breukrek:0,28. (C) Ti-0.3O, RT, en breukrek:0,16. (D) Zuivere Ti, LN2, en breukrek:0,60. (E) Ti-0.1O, LN2, en breukrek:0,56. (F) Ti-0.3O, LN2, en breukrek:0,04. De trekrichting is horizontaal voor alle microstructuren. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.abc4060

  • Karakterisering van Ti-0.3O-legering na trekbreuk bij cryogene temperatuur. (A) optische microscopie van het gebied nabij het breukoppervlak, waarin verschillende microscheuren (zoals aangegeven door gele pijlen) langs de korrelgrenzen werden waargenomen. (B) Tweelinggrenskaart met de soorten tweelingen nabij het breukoppervlak [volgens de kleuren getoond in (G)]. (C) en (D) zijn de IPF-kaart en de dubbele grenskaart die een typisch voorbeeld toont van microscheuren die zich vormen op de punten waar {11-24} tweelingen werden geblokkeerd op de korrelgrenzen. (E) Het misoriëntatiehoekprofiel, waarin een duidelijke piek werd gevonden bij 77°, bevestiging van het overwicht van {11-24} tweelingen in Ti-0.3O vervormd bij cryogene temperatuur. (F) Het HRTEM-beeld (van een zone-as van [-5143]) van een {11-24} tweeling opgetild uit het rechthoekgebied in (B) door de gerichte ionenstraal (FIB)-methode. (G) De kleuren die worden gebruikt in panelen B en D. Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060

Chong et al. voerde DFT-berekeningen (density functional theory) uit om interstitiële shuffling-mechanismen (ISM) voor te stellen voor de temperatuur- en snelheidsafhankelijkheid van golf-naar-vlakke slipovergangen in Ti-O-legeringen. Gebaseerd op gegeneraliseerde stapelfout (GSF) energieën verkregen via computationele berekeningen, het team leverde bewijs voor het verzachtende effect van het glijvlak dat samenhangt met het schuifproces in het materiaal bij lagere temperaturen en grotere vervormingssnelheden. De zuurstofatomen die tijdens het vervormingsproces in het materiaal verdrongen, bleven op hun plaats, het verminderen van de barrière om verder uit te glijden. Het concept van twinning kan ook aanleiding geven tot uitstekende mechanische eigenschappen van titaniumlegeringen die worden waargenomen bij cryogene temperaturen waar dislocatieactiviteiten doorgaans moeilijk worden.

Onderzoekers hebben tot op heden vier veelvoorkomende vervormingsvormen in titanium gerapporteerd, inclusief twee tensions twins (T1 en T2) en twee compressie twins (C1 en C2). Chong et al. beschouwd als een overzicht van twinninggedrag als functie van zuurstofgehalte en temperatuur. Bij toenemend zuurstofgehalte, de tweelingfracties bij kamertemperatuur werden continu gereduceerd tot het punt waarop geen noemenswaardige tweelingen konden worden gedetecteerd in Ti-0.30 legeringen bij kamertemperatuur. De twinning-activiteit verbeterde aanzienlijk in zuiver titanium bij cryogene temperaturen. Ze hebben de verbeterde functie in puur titanium toegeschreven aan een groter intern stressniveau. Om het afwijkende gedrag van tweelingen beter te begrijpen, de wetenschappers bestudeerden de interacties tussen zuurstof en tweelinggrenzen met behulp van atomaire simulaties.

Outlook

Op deze manier, Yan Chong en collega's beschouwden de systematische invloed van zuurstof op de dislocatiemorfologie en de twinningfractie om een ​​mechanistisch beeld te geven van de zuurstofgevoeligheid op de mechanische eigenschappen van titanium. Ze schreven de oorsprong van de temperatuurvervormingssnelheid en de gevoeligheid van het zuurstofgehalte van de slipvlakheid van Ti-O-legeringen toe aan de beweging van zuurstofatomen in plaats van de ordening van atomen op korte afstand. Het model van interstitiële schuifmechanismen (ISM) gaf een verklaring voor de waargenomen temperatuur- en spanningsgevoeligheid van vlakke slip in Ti-O-legeringen. De gesimuleerde strategieën voor het ontwerpen van legeringen die het interstitiële schuifproces in dit werk onderbraken, kunnen de interstitiële tolerantie van titaniumlegeringen aanzienlijk verhogen om versterkende effecten te bieden zonder een begeleidend offer in ductiliteit.

© 2020 Wetenschap X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Ideeën voor celademhaling
  2. Macht overdragen aan staten zal de bescherming van bedreigde diersoorten niet verbeteren
  3. Wat zijn de vier organische moleculen die in levende wezens worden gevonden?
  4. Dieren die menselijke DNA-sequenties delen
  5. Wat is de subeenheid van DNA genaamd?
  6. De microbiologische kunst van het maken van een betere worst
  7. De reden voor het kleuren van een exemplaar op de microscoop
  8. Het verschil tussen prokaryote en eukaryotische genexpressie
  9. Vissenseks zo luid dat dolfijnen doof kunnen worden

Wetenschap