《Acta Materialia》：屈服1.2GPa，延伸率27%！异构显著提升纯钛低温力学性能
2024-05-29 15:33:11
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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大多数金属材料在低温下都表现出强度和塑性之间的“倒置”矛盾，即强度越高，塑性越低。低温会提升材料的剪切模量和晶格摩擦应力，增加位错滑移阻力，使得材料强度增高，但对塑性的影响却利弊不一。一方面，低温可以抑制位错的动态湮灭，从而增强应变硬化能力，提高塑性。另一方面，低温增加了位错滑移时的晶格摩擦应力，导致流变应力增加，而降低了塑性。在均匀结构中，晶粒细化措施在低温下难以打破强度和塑性之间的倒置关系。目前，异构微结构（Heterostructure）设计在室温下已经实现了强度和塑性的同步提升，这是由于异构单元域之间的力学不相容性在变形过程中产生了局部应变梯度和大量的几何必需位错（generation of geometrically necessary dislocations，GNDs）所致。研究者将这种现象定义为异构变形诱导（hetero-deformation-induced, HDI）强化和硬化。这引出一个基础科学问题，异构策略能否解决传统金属材料在低温下的强度-塑性矛盾。具体地，低温下异构变形引起的应变硬化能否有效地抵消流变应力的增加，从而延缓颈缩的发生？如果可以，温度对异构变形的具体影响是什么？基于上述问题，四川大学黄崇湘教授团队与香港城市大学马晓龙教授等团队合作，采用热挤压-大变形量轧制-退火的工艺制备了一种再结晶型异构纯钛。该材料呈典型的蜂窝状结构，包含体积占比60%的超细晶（平均晶粒尺寸~0.58 μm）和40%的细晶（~1.88 μm）。为比较研究，团队还同时制备了均匀结构的细晶（~1.94 μm）和超细晶（~0.62 μm）样品，并通过拉伸试验测试了三种样品在室温和低温下的力学性能。异构纯钛在低温下具有极高的强度（屈服强度~1200MPa）和优异的延伸率（均匀伸长率~17%，总延伸率27%），突破了传统均匀结构在低温服役条件下的强度-塑性匹配瓶颈。系统研究表明，异构钛具有优异低温力学性能的根本原因在于：低温放大了异构单元域之间的力学不相容性，并同时抑制了位错交叉滑移。首先，与室温环境相比，低温增强了Hall-Petch系数，增大了异构单元域之间的力学不相容性，从而强化了异构单元域在塑性变形过程中的应变配分效应。其次，低温抑制了位错交叉滑移，而有利于平面滑移和位错堆积，在不引起裂纹拓展的前提下进一步放大了HDI-应力的硬化效应。这一研究成果不仅有助于深入理解低温条件下异质结构材料的变形行为，还为设计高性能低温应用材料提供了新的思路。相关工作以题为 “Heterostructure enables anomalous improvement of cryogenic mechanical properties in titanium”的研究性文章发表在Acta Materialia。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119982
图 1. 均匀结构和异质结构钛的 EBSD 表征。(a)在 723 K退火1h的样品的 IPF 照片。(b)在 773 K退火10分钟的样品的IPF照片。(c)在 773 K退火1h的样品的 IPF 照片。(d-f)三个样品的晶粒尺寸分布。(g-h) 以1mm为阈值将HS晶粒分成两组即>1mm (FG)和 <1mm (UFG)的IPF照片。(i-k)显示微观纹理相似性的反极图。(l)UFG Ti、(m)HS Ti、(n)FG Ti的晶界错向角分布。
图2. 均匀结构和异质结构钛的拉伸性能。(a)77 K 时的工程应力-应变曲线和(b) 真应力-应变曲线。(c)298 K时的工程应力-应变曲线和(d)真应力-应变曲线。在(b)和(d)中计算了相应曲线的加工硬化指数(n)。
图3. 纯钛和钛合金的低温屈服强度和均匀伸长率的Ashby图
图 4. 在77 K下变形至缩颈的异质结构钛中的(a)UFG 区（<1 μm）和(b)FG 区（>1 μm）的晶粒形貌。在298 K下变形至缩颈的HS Ti样品中，(c) UFG 区（<1 μm）和(d) FG 区（>1 μm）的晶粒形态。在77 K和 298 K下，(e)FG 区和(f)UFG区所承载的真实应变分布。
图5. 纯钛材料中与温度有关的Hall-Petch系数 。(a)77 K和 298 K时Hall-Petch系数的实验测量值。(b)Conrad等人对不同间隙元素和含量的钛的Hall-Petch系数随温度变化的曲线图。
图6. (a)塑性变形过程中机械不相容性导致异质结构应变分区（）的示意图。(b)在两个变形温度下，由于机械不相容性的改变，应变分配的程度不同。
图7. 在(a)77 K和(b)298 K下变形至~3.8%应变的异质结构钛的位错滑移行为的TEM照片。综上所述，本研究揭示了异构纯钛优异的低温力学性能，其打破了均匀结构纯钛低温下的强度-塑性倒置关系。研究表明，与室温相比，低温强化了HDI效应，使异构钛的低温力学性能得到极大提升。首先，低温增大了Hall-Petch系数，导致异构区域间的机械不相容性增加，因增强了塑性变形时不同晶粒间的应变配分效应，产生大量的GNDs。其次，低温抑制了交叉滑移而有利于平面滑移和位错塞积。这促进了GNDs的堆积，并且平面滑移使位错更有可能塞积在晶界上，从而诱发更高的HDI应力。本文提出的关于异构纯钛的低温强韧化策略可扩展到其它异构材料，为设计低温高性能结构材料提供了参考。
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