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5篇《JMST》《MSEA》《MC》！鈦合金的沖擊韌性研究成果速遞

2022-07-14 16:33:45 作者：材料基來源：材料基分享至：

沖擊韌性是材料在動態沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，反映結構材料抵抗瞬時動態沖擊載荷的能力。對于應用在航空航天、艦船以及裝甲板制造等領域的合金材料來說，沖擊韌性是其重要的力學性能指標之一。

近期，來自國內高校和研究院所的研究人員針對不同鈦合金體系的沖擊韌性進行了較為廣泛和深入的研究，相關5篇論文發表于金屬領域重要刊物，Journal of Materials Science & Technology，Materials Science and Engineering A，Material Characterization. 論文第一作者包括西安工業大學青年教師黃士星博士、陜西科技大學青年教師吳聰博士、長江大學青年教師雷磊博士，合作作者包括長安大學青年教師趙秦陽博士、西北有色金屬研究院的賈蔚菊教授等，通訊作者為西北有色金屬研究院趙永慶教授。相關工作得到了國家自然科學基金、國家國際科技合作等項目的支持。

1、α鈦及α鈦合金中間隙氧元素對沖擊韌性的影響及作用機理研究

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.140958

圖1 間隙氧元素對α型純鈦和Ti-6Al合金沖擊性能的影響規律及其作用機理

作者報道了間隙氧元素對α型純鈦和Ti-6Al合金沖擊性能的影響規律及其作用機理。氧含量顯著影響純鈦和Ti-6Al合金的室溫沖擊性能，降低氧含量可顯著提升其沖擊韌性及抵抗裂紋擴展的能力。試驗與理論研究結果表明，氧原子固溶于α鈦晶胞后重構了晶胞的價電子結構和原子鍵結構，在α鈦晶胞中形成較強的Ti-O鍵，增加位錯運動和形變孿生時原子運動受到的晶格點陣阻力，進而抑制合金中位錯運動和形變孿生行為。由于位錯運動和形變孿生的驅動力均由沖擊載荷提供，因此，高氧含量的純鈦和Ti-6Al合金吸收沖擊能量大幅減少。

2、近α鈦合金中β穩定元素Mo和Nb的韌化機理研究

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.11.045

圖2 β穩定元素Mo和Nb的韌化機理

作者報道了β穩定元素Mo和Nb在鈦合金中的韌化機制及其內在機理。作者制備了Ti-6Al、Ti-6Al-2Mo和Ti-6Al-3Nb合金，并進行拉伸性能和沖擊性能測試。結果表明，Mo和Nb元素加入后對拉伸性能影響不大，但是顯著提升其沖擊性能，Ti-6Al合金的沖擊功為?30 J，Ti-6Al-2Mo和Ti-6Al-3Nb合金的沖擊功均為?64 J，表明Mo和Nb元素的韌化效果十分顯著。作者利用固體與分子經驗電子理論（EET）對Mo和Nb元素的韌化機理進行研究，結果表明，Al原子固溶于鈦晶胞后明顯降低了α相中的位錯可動性，而Mo和Nb元素加入后重構了α和β相的價電子結構，進而顯著提升位錯可動性。另外，α/β相界面處的位錯塞積也有利于形變孿晶的形核。在沖擊過程中，位錯運動和形變孿生的驅動力均由沖擊載荷提供，因此，Ti-6Al-2Mo和Ti-6Al-3Nb合金能夠比Ti-6Al合金吸收更多的沖擊能量，進而展現出更高的沖擊韌性。

3、α+β型TC4合金的沖擊韌性和變形機制研究

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140411

圖3 TC4合金不同組織的沖擊韌性及裂紋擴展機制示意圖

作者闡明了顯微組織對典型 α+β 型中等強度 TC4 合金缺口沖擊韌性的影響機理，發現沖擊韌性和裂紋路徑曲折程度之間并非呈正相關，裂紋曲折程度較小的雙態組織中βt的扭折變形、αp中孿晶的產生和塑性變形的協同作用有效釋放了裂紋尖端的應力，使其獲得了較高的沖擊韌性。

4、α+β損傷容限型TC21合金沖擊韌性的影響因素研究

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.matchar.2021.111164

圖4 TC21合金不同組織的沖擊韌性及沖擊過程示意圖

作者揭示了典型 α+β 型高強 TC21 合金沖擊韌性的影響因素，發現其沖擊韌性主要由裂紋萌生階段吸收的能量所決定；影響其裂紋萌生功和擴展功的因素有所不同，萌生功與裂紋尖端塑性變形程度呈正相關，裂紋擴展區的塑性變形程度小于萌生區，擴展功隨裂紋路徑曲折程度增加而升高。

5、近β型高強韌Ti-5321合金的沖擊韌性優化

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.matchar.2021.111103

圖5 Ti-5321合金不同組織的沖擊功及沖擊過程示意圖

作者調控了新型高強韌鈦合金Ti-5321合金的三種典型組織：雙態組織（BM）、三態組織（TM）和雙片層組織（BLM），結果顯示雙片層組織具有最優強韌性匹配。同時闡明了沖擊動載荷下的影響機制并提出了沖擊韌性的組織優化方案。示波沖擊結果表明裂紋萌生功和裂紋擴展功是表征材料抵抗沖擊載荷重要的力學性能指標。裂紋萌生功與組織的塑性變形能力呈正相關，初生α相含量的增加可以提高裂紋萌生功。裂紋擴展功主要消耗于裂紋前沿微觀塑性變形及裂紋擴展，交錯的集束α相對于等軸α相和片層α相具有更好的裂紋偏折能力，有效阻礙裂紋擴展，粗大的集束α相與β相之間優異的塑性變形能力可以顯著提高裂紋擴展區的塑性區的大小。

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