《Acta Materialia》：屈服1.2GPa，延伸率27%！異構(gòu)顯著提升純鈦低溫力學(xué)性能
2024-05-29 15:33:11
作者：材料科學(xué)與工程 來(lái)源：材料科學(xué)與工程
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大多數(shù)金屬材料在低溫下都表現(xiàn)出強(qiáng)度和塑性之間的“倒置”矛盾，即強(qiáng)度越高，塑性越低。低溫會(huì)提升材料的剪切模量和晶格摩擦應(yīng)力，增加位錯(cuò)滑移阻力，使得材料強(qiáng)度增高，但對(duì)塑性的影響卻利弊不一。一方面，低溫可以抑制位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)湮滅，從而增強(qiáng)應(yīng)變硬化能力，提高塑性。另一方面，低溫增加了位錯(cuò)滑移時(shí)的晶格摩擦應(yīng)力，導(dǎo)致流變應(yīng)力增加，而降低了塑性。在均勻結(jié)構(gòu)中，晶粒細(xì)化措施在低溫下難以打破強(qiáng)度和塑性之間的倒置關(guān)系。目前，異構(gòu)微結(jié)構(gòu)（Heterostructure）設(shè)計(jì)在室溫下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的同步提升，這是由于異構(gòu)單元域之間的力學(xué)不相容性在變形過(guò)程中產(chǎn)生了局部應(yīng)變梯度和大量的幾何必需位錯(cuò)（generation of geometrically necessary dislocations，GNDs）所致。研究者將這種現(xiàn)象定義為異構(gòu)變形誘導(dǎo)（hetero-deformation-induced, HDI）強(qiáng)化和硬化。這引出一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，異構(gòu)策略能否解決傳統(tǒng)金屬材料在低溫下的強(qiáng)度-塑性矛盾。具體地，低溫下異構(gòu)變形引起的應(yīng)變硬化能否有效地抵消流變應(yīng)力的增加，從而延緩頸縮的發(fā)生？如果可以，溫度對(duì)異構(gòu)變形的具體影響是什么？基于上述問(wèn)題，四川大學(xué)黃崇湘教授團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)馬曉龍教授等團(tuán)隊(duì)合作，采用熱擠壓-大變形量軋制-退火的工藝制備了一種再結(jié)晶型異構(gòu)純鈦。該材料呈典型的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，包含體積占比60%的超細(xì)晶（平均晶粒尺寸~0.58 μm）和40%的細(xì)晶（~1.88 μm）。為比較研究，團(tuán)隊(duì)還同時(shí)制備了均勻結(jié)構(gòu)的細(xì)晶（~1.94 μm）和超細(xì)晶（~0.62 μm）樣品，并通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)試了三種樣品在室溫和低溫下的力學(xué)性能。異構(gòu)純鈦在低溫下具有極高的強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度~1200MPa）和優(yōu)異的延伸率（均勻伸長(zhǎng)率~17%，總延伸率27%），突破了傳統(tǒng)均勻結(jié)構(gòu)在低溫服役條件下的強(qiáng)度-塑性匹配瓶頸。系統(tǒng)研究表明，異構(gòu)鈦具有優(yōu)異低溫力學(xué)性能的根本原因在于：低溫放大了異構(gòu)單元域之間的力學(xué)不相容性，并同時(shí)抑制了位錯(cuò)交叉滑移。首先，與室溫環(huán)境相比，低溫增強(qiáng)了Hall-Petch系數(shù)，增大了異構(gòu)單元域之間的力學(xué)不相容性，從而強(qiáng)化了異構(gòu)單元域在塑性變形過(guò)程中的應(yīng)變配分效應(yīng)。其次，低溫抑制了位錯(cuò)交叉滑移，而有利于平面滑移和位錯(cuò)堆積，在不引起裂紋拓展的前提下進(jìn)一步放大了HDI-應(yīng)力的硬化效應(yīng)。這一研究成果不僅有助于深入理解低溫條件下異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的變形行為，還為設(shè)計(jì)高性能低溫應(yīng)用材料提供了新的思路。相關(guān)工作以題為 “Heterostructure enables anomalous improvement of cryogenic mechanical properties in titanium”的研究性文章發(fā)表在Acta Materialia。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119982
圖 1. 均勻結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈦的 EBSD 表征。(a)在 723 K退火1h的樣品的 IPF 照片。(b)在 773 K退火10分鐘的樣品的IPF照片。(c)在 773 K退火1h的樣品的 IPF 照片。(d-f)三個(gè)樣品的晶粒尺寸分布。(g-h) 以1mm為閾值將HS晶粒分成兩組即>1mm (FG)和 <1mm (UFG)的IPF照片。(i-k)顯示微觀紋理相似性的反極圖。(l)UFG Ti、(m)HS Ti、(n)FG Ti的晶界錯(cuò)向角分布。
圖2. 均勻結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈦的拉伸性能。(a)77 K 時(shí)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(b) 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c)298 K時(shí)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(d)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在(b)和(d)中計(jì)算了相應(yīng)曲線的加工硬化指數(shù)(n)。
圖3. 純鈦和鈦合金的低溫屈服強(qiáng)度和均勻伸長(zhǎng)率的Ashby圖
圖 4. 在77 K下變形至縮頸的異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈦中的(a)UFG 區(qū)（<1 μm）和(b)FG 區(qū)（>1 μm）的晶粒形貌。在298 K下變形至縮頸的HS Ti樣品中，(c) UFG 區(qū)（<1 μm）和(d) FG 區(qū)（>1 μm）的晶粒形態(tài)。在77 K和 298 K下，(e)FG 區(qū)和(f)UFG區(qū)所承載的真實(shí)應(yīng)變分布。
圖5. 純鈦材料中與溫度有關(guān)的Hall-Petch系數(shù) 。(a)77 K和 298 K時(shí)Hall-Petch系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。(b)Conrad等人對(duì)不同間隙元素和含量的鈦的Hall-Petch系數(shù)隨溫度變化的曲線圖。
圖6. (a)塑性變形過(guò)程中機(jī)械不相容性導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變分區(qū)（）的示意圖。(b)在兩個(gè)變形溫度下，由于機(jī)械不相容性的改變，應(yīng)變分配的程度不同。
圖7. 在(a)77 K和(b)298 K下變形至~3.8%應(yīng)變的異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈦的位錯(cuò)滑移行為的TEM照片。綜上所述，本研究揭示了異構(gòu)純鈦優(yōu)異的低溫力學(xué)性能，其打破了均勻結(jié)構(gòu)純鈦低溫下的強(qiáng)度-塑性倒置關(guān)系。研究表明，與室溫相比，低溫強(qiáng)化了HDI效應(yīng)，使異構(gòu)鈦的低溫力學(xué)性能得到極大提升。首先，低溫增大了Hall-Petch系數(shù)，導(dǎo)致異構(gòu)區(qū)域間的機(jī)械不相容性增加，因增強(qiáng)了塑性變形時(shí)不同晶粒間的應(yīng)變配分效應(yīng)，產(chǎn)生大量的GNDs。其次，低溫抑制了交叉滑移而有利于平面滑移和位錯(cuò)塞積。這促進(jìn)了GNDs的堆積，并且平面滑移使位錯(cuò)更有可能塞積在晶界上，從而誘發(fā)更高的HDI應(yīng)力。本文提出的關(guān)于異構(gòu)純鈦的低溫強(qiáng)韌化策略可擴(kuò)展到其它異構(gòu)材料，為設(shè)計(jì)低溫高性能結(jié)構(gòu)材料提供了參考。
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