北京理工大学金属顶刊《Acta Materialia》增强型动态压缩性能的低密度近α钛合金

2024-12-19 11:32:43 作者：材料研究进展来源：材料研究进展分享至：

1研究背景

随着现代工业和航空航天领域对材料性能要求的不断提高，特别是在冲击载荷环境下的应用，对钛合金的动态性能提出了更高的要求。钛合金因其低密度、高比强度和优异的耐腐蚀性而被广泛应用于商业飞机和载人航天飞行中。在冲击载荷下，剧烈的塑性变形会产生热量，导致局部温度升高和应变软化，这与绝热剪切带（ASBs）的形成有关，并可能导致塑性不稳定甚至失效。因此，开发适用于高应变率服务环境的高性能钛合金变得尤为重要。动态机械性能与微观结构、塑性变形载体和热耗散机制密切相关。在这项研究中，研究人员专注于通过微观结构工程和热力学分离-耗散机制的耦合来开发具有优异动态响应的钛合金。

2成果简介

在这项研究中，研究人员报道了一种低密度近α钛合金Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C，其密度仅为4.36 g/cm³，展现出卓越的动态压缩性能，包括约1.72 GPa的出色动态强度和约27.2%的动态压缩应变。这些性能的提升归因于变形诱导的层状微观结构和变形促进的碳偏聚的协同效应。该合金由纳米有序Ti3Al (α2)粒子增强的等轴α相晶粒和β相边界粘结而成。在准静态和动态压缩测试中，合金发展出双相层状微观结构，并且塑性变形促进了α相晶粒中碳沿滑移轨迹的动态偏聚。塑性变形在α和β相中主要由位错滑移承担。双相层状微观结构的形成归因于α相晶粒中的塑性流动稳定性与激活的棱柱<a>位错和金字塔<c+a>位错以及相对硬的β相施加的几何约束有关。剧烈塑性变形在α相产生的热量通过促进碳偏聚来耗散，这种基于偏聚的热耗散机制有效地延缓了与动态再结晶相关的应变软化。由于α和β相之间的塑性变形不兼容性，最终触发了剪切不稳定性，导致层状微观结构的局部旋转。在几何剪切带中发生了绝热剪切带（ASBs）。在剪切带中，剧烈变形产生的热量促进了动态再结晶和应变软化。

3图文导读

图1：动态压缩实验的示意图，展示了使用停止环的动态压缩实验。

图2：退火态Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金的微观结构。(a) BSE形貌图。(b) EBSD反极图。(c) TEM明场图像。(d) 从(c)中蓝色圆圈区域记录的SAED图案。(e) 从(c)中白色圆圈区域记录的SAED图案。(f) 对应于α2相的TEM暗场图像。

图3：Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金在不同动态压缩应变下的SEM形貌图。(a) 5%。(b) 10%。(c) 15%。(d) 断裂。

图4：Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C合金在不同准静态压缩应变下的SEM形貌图。(a) 5%。(b) 10%。(c) 15%。(d) 断裂。

图5：α晶粒中大量白条纹的SEM图。(a) 动态压缩样品至断裂。(b) 准静态压缩样品至断裂。(c) 准静态压缩样品15%应变前未蚀刻的BSE形貌图。(d) 样品表面蚀刻后的相应SEM形貌图。(e) 相应区域的EBSD图。(f) G1的棱柱面滑移迹。(g) G2的棱柱面滑移迹。

4小结

研究人员通过实验和理论分析，成功开发了一种新型低密度近α钛合金Ti-8Al-1Mo-1V-0.23C，该合金在冲击载荷下展现出卓越的动态压缩性能。这种性能的提升主要得益于合金中变形诱导的层状微观结构和变形促进的碳偏聚的协同作用。研究结果表明，通过微观结构设计和热力学分离-耗散机制的耦合，可以有效提升钛合金的动态响应性能。这一发现为未来钛合金在极端服务条件下的应用提供了新的设计思路，特别是在需要高动态性能和优异冲击吸收能量的领域，如航空航天和高速交通工具。研究人员的工作不仅推动了钛合金材料科学的发展，也为相关工业应用提供了重要的技术支撑。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120653

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