研究揭示鈦的超高本征斷裂韌性

隨著“損傷容限”設計理念在工業界的不斷推進，近年來對鈦的斷裂韌性的要求也日益提高。然而，鈦及鈦合金的斷裂韌性始終低于130 MPa?m^1/2，遠低于一些奧氏體不銹鋼和面心立方結構的中/高熵合金(斷裂韌性超過200 MPa?m^1/2)。這種斷裂韌性的不足限制了鈦及鈦合金在一些關鍵負載條件下的應用。西安交通大學材料學院韓衛忠教授課題組對純鈦的斷裂韌性進行了系統研究，發現鈦中的氧雜質是造成其斷裂韌性不足的主要因素。近日相關研究成果發表在《先進材料》上。

研究發現，即使存在微量的氧雜質，也會抑制鈦中的變形孿生和位錯活性，從而顯著降低裂紋尖端的均勻塑性變形能力。研究團隊通過將氧雜質含量從商業純鈦的0.14 wt%降低至低氧鈦的0.02 wt%，實現了斷裂韌性從117 MPa?m^1/2提高至255 MPa?m^1/2。低氧鈦的斷裂韌性超越了已報道的所有商業純鈦及鈦合金的斷裂韌性，并且超過了大部分金屬材料的斷裂韌性。研究首次揭示了鈦的超高本征斷裂韌性，打破了鈦的斷裂韌性低于130 MPa?m^1/2的傳統認知，使低氧鈦成為目前已知最韌的金屬材料之一。

研究人員發現，氧雜質含量的顯著降低成功克服了密排六方結構金屬鈦在室溫條件下<c>軸變形模式難以啟動的難題，并發現了一種全新的遞進韌化新機制，降低氧含量不僅促進了裂紋尖端變形孿晶的大量激活，還發現孿晶界作為高效位錯源，發射了大量的<c+a>位錯，有效克服了<c+a>位錯自增殖的困難。這兩種在室溫下通常難以啟動的變形模式的大量激活，顯著提升了低氧鈦裂紋尖端的均勻變形能力、變形密度和塑性區尺寸，從而有效鈍化了裂紋尖端，使金屬鈦展現出了前所未有的斷裂韌性。這種全新的韌化機制及降低關鍵雜質含量的研發策略，為設計高損傷容限鈦合金提供了新思路。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202408286