5篇《JMST》《MSEA》《MC》！钛合金的冲击韧性研究成果速递

2022-07-14 16:33:45 作者：材料基来源：材料基分享至：

冲击韧性是材料在动态冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，反映结构材料抵抗瞬时动态冲击载荷的能力。对于应用在航空航天、舰船以及装甲板制造等领域的合金材料来说，冲击韧性是其重要的力学性能指标之一。

近期，来自国内高校和研究院所的研究人员针对不同钛合金体系的冲击韧性进行了较为广泛和深入的研究，相关5篇论文发表于金属领域重要刊物，Journal of Materials Science & Technology，Materials Science and Engineering A，Material Characterization. 论文第一作者包括西安工业大学青年教师黄士星博士、陕西科技大学青年教师吴聪博士、长江大学青年教师雷磊博士，合作作者包括长安大学青年教师赵秦阳博士、西北有色金属研究院的贾蔚菊教授等，通讯作者为西北有色金属研究院赵永庆教授。相关工作得到了国家自然科学基金、国家国际科技合作等项目的支持。

1、α钛及α钛合金中间隙氧元素对冲击韧性的影响及作用机理研究

原文链接：

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

图1 间隙氧元素对α型纯钛和Ti-6Al合金冲击性能的影响规律及其作用机理

作者报道了间隙氧元素对α型纯钛和Ti-6Al合金冲击性能的影响规律及其作用机理。氧含量显著影响纯钛和Ti-6Al合金的室温冲击性能，降低氧含量可显著提升其冲击韧性及抵抗裂纹扩展的能力。试验与理论研究结果表明，氧原子固溶于α钛晶胞后重构了晶胞的价电子结构和原子键结构，在α钛晶胞中形成较强的Ti-O键，增加位错运动和形变孪生时原子运动受到的晶格点阵阻力，进而抑制合金中位错运动和形变孪生行为。由于位错运动和形变孪生的驱动力均由冲击载荷提供，因此，高氧含量的纯钛和Ti-6Al合金吸收冲击能量大幅减少。

2、近α钛合金中β稳定元素Mo和Nb的韧化机理研究

原文链接：

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

图2 β稳定元素Mo和Nb的韧化机理

作者报道了β稳定元素Mo和Nb在钛合金中的韧化机制及其内在机理。作者制备了Ti-6Al、Ti-6Al-2Mo和Ti-6Al-3Nb合金，并进行拉伸性能和冲击性能测试。结果表明，Mo和Nb元素加入后对拉伸性能影响不大，但是显著提升其冲击性能，Ti-6Al合金的冲击功为?30 J，Ti-6Al-2Mo和Ti-6Al-3Nb合金的冲击功均为?64 J，表明Mo和Nb元素的韧化效果十分显著。作者利用固体与分子经验电子理论（EET）对Mo和Nb元素的韧化机理进行研究，结果表明，Al原子固溶于钛晶胞后明显降低了α相中的位错可动性，而Mo和Nb元素加入后重构了α和β相的价电子结构，进而显著提升位错可动性。另外，α/β相界面处的位错塞积也有利于形变孪晶的形核。在冲击过程中，位错运动和形变孪生的驱动力均由冲击载荷提供，因此，Ti-6Al-2Mo和Ti-6Al-3Nb合金能够比Ti-6Al合金吸收更多的冲击能量，进而展现出更高的冲击韧性。

3、α+β型TC4合金的冲击韧性和变形机制研究

原文链接：

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

图3 TC4合金不同组织的冲击韧性及裂纹扩展机制示意图

作者阐明了显微组织对典型 α+β 型中等强度 TC4 合金缺口冲击韧性的影响机理，发现冲击韧性和裂纹路径曲折程度之间并非呈正相关，裂纹曲折程度较小的双态组织中βt的扭折变形、αp中孪晶的产生和塑性变形的协同作用有效释放了裂纹尖端的应力，使其获得了较高的冲击韧性。

4、α+β损伤容限型TC21合金冲击韧性的影响因素研究

原文链接：

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

图4 TC21合金不同组织的冲击韧性及冲击过程示意图

作者揭示了典型 α+β 型高强 TC21 合金冲击韧性的影响因素，发现其冲击韧性主要由裂纹萌生阶段吸收的能量所决定；影响其裂纹萌生功和扩展功的因素有所不同，萌生功与裂纹尖端塑性变形程度呈正相关，裂纹扩展区的塑性变形程度小于萌生区，扩展功随裂纹路径曲折程度增加而升高。

5、近β型高强韧Ti-5321合金的冲击韧性优化

原文链接：

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

图5 Ti-5321合金不同组织的冲击功及冲击过程示意图

作者调控了新型高强韧钛合金Ti-5321合金的三种典型组织：双态组织（BM）、三态组织（TM）和双片层组织（BLM），结果显示双片层组织具有最优强韧性匹配。同时阐明了冲击动载荷下的影响机制并提出了冲击韧性的组织优化方案。示波冲击结果表明裂纹萌生功和裂纹扩展功是表征材料抵抗冲击载荷重要的力学性能指标。裂纹萌生功与组织的塑性变形能力呈正相关，初生α相含量的增加可以提高裂纹萌生功。裂纹扩展功主要消耗于裂纹前沿微观塑性变形及裂纹扩展，交错的集束α相对于等轴α相和片层α相具有更好的裂纹偏折能力，有效阻碍裂纹扩展，粗大的集束α相与β相之间优异的塑性变形能力可以显著提高裂纹扩展区的塑性区的大小。

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