Siano Jiaotongo universiteto mokslininkai atskleidė itin didelį titano atsparumą lūžiams

Titanas ir titano lydiniai, žinomi dėl savo lengvo svorio, didelio stiprumo ir atsparumo korozijai, buvo plačiai naudojami kosmoso, jūrų inžinerijos ir biomedicinos srityse. Pastaraisiais metais pramonės sektoriuje nuolat tobulėjant „tolerancijos pažeidimams“ dizaino koncepcijai, titano atsparumo lūžiams paklausa taip pat labai išaugo. Tačiau, nepaisant dešimtmečius trukusių lydinių projektavimo ir apdorojimo tobulinimo, titano ir titano lydinių atsparumas plyšimui išliko mažesnis nei 130 MPa∙m1/2, daug mažesnis nei kai kurių austenitinio nerūdijančio plieno ir į paviršių orientuotų kubinių vidutinės/didelės entropijos lydinių ( kurių atsparumas plyšimui didesnis kaip 200 MPa∙m1/2). Šis apribojimas trukdė naudoti titaną ir titano lydinius kritinėmis apkrovos sąlygomis.

Metalinių medžiagų atsparumo plyšiams pagerėjimas visų pirma priklauso nuo jų vidinių grūdinimo mechanizmų, kurie trukdo plisti įtrūkimams, padidindami plastinės deformacijos zoną plyšio gale. Kitaip tariant, kuo didesnė plastikinė zona, tuo didesnis atsparumas lūžiams. Palyginti su kubiniais metalais, nukreiptais į veidą ir į kūną, titanas, kurio šešiakampė sandari struktūra, pasižymi mažesne gardelės simetrija, todėl lengviau suaktyvinti prizmę.paslysti, kad tilptųkrypties deformacija. Tačiau apgyvendinti-ašies deformacija, deformacijų susipynimas arba piramidės aktyvacijaslydimas būtinas. Deformacijos dvyniai paprastai yra vienakrypčiai ir gali prisitaikyti tik prie nedidelių plastikinių įtempimų. Vadinasi, nemažas kiekis piramidėsslydimas turi būti įjungtas, kad atitiktų von Mises kriterijų, pagal kurį plastinių deformacijų koordinavimui reikalingos bent penkios nepriklausomos slydimo sistemos. Nepaisant to, kritinis piramidės šlyties įtempis buvo išspręstasslydimas yra didelis, o jo krašto išnirimo komponentas yra linkęs irti, todėl sunku suderinti deformaciją su varžto dislokacijos komponentu ir pasiekti reikšmingą savaiminį išplitimą. TrūkumasAšies deformacijos mechanizmai apriboja galimybę pasiekti didelio tankio vienodą plastinę deformaciją plyšio viršūnėje ir taip apriboti titano ir titano lydinių atsparumą lūžiams.

Siekdami išspręsti šį iššūkį ir išnaudoti visas titano atsparumo lūžiams galimybes, mokslininkai iš Xi'an Jiaotong universiteto Medžiagų mokslo ir inžinerijos mokyklos, vadovaujami profesoriaus Han Weizhong, atliko sistemingą gryno titano atsparumo lūžiams tyrimą. Jie išsiaiškino, kad titano deguonies priemaišos yra pagrindinis veiksnys, lemiantis jo nepakankamą atsparumą lūžiams. Net nedideli deguonies priemaišų kiekiai gali slopinti titano deformacijų susipynimą ir dislokacijos aktyvumą, žymiai sumažindami vienodą plastinės deformacijos galimybę plyšio viršūnėje. Sumažinus deguonies priemaišų kiekį nuo {{0}},14 masės % komerciniame gryname titane iki 0,02 masės % mažai deguonies turinčiame titane, tyrėjų komanda žymiai padidino atsparumą lūžiams nuo 117 MPa∙m1/ nuo 2 iki 255 MPa∙m1/2. Šis pasiekimas pranoksta visų praneštų komercinio gryno titano ir titano lydinių, taip pat daugumos metalinių medžiagų atsparumą lūžiams, todėl mažai deguonies turintis titanas yra viena tvirčiausių iki šiol žinomų metalinių medžiagų.

Tyrimas ne tik atskleidė itin didelį vidinį titano atsparumą lūžiams, bet ir sugriovė įprastą įsitikinimą, kad titano atsparumas lūžiams iš prigimties yra mažesnis nei 130 MPa∙m1/2. Žymus deguonies kiekio sumažėjimas įveikė inicijavimo iššūkį-ašies deformacijos režimai šešiakampyje sandariai supakuotame titane kambario temperatūroje. Be to, tyrimas atskleidė naują progresyvų grūdinimo mechanizmą: sumažėjęs deguonies kiekis palengvino masinį deformacinių dvynių aktyvavimą plyšio gale (3 pav.), kurie buvo veiksmingi dislokacijos šaltiniai, išskiriantys daugišnirimai (4 pav.). Esminis šių dviejų deformacijos režimų, kuriuos paprastai sunku inicijuoti kambario temperatūroje, aktyvinimas žymiai padidino vienodą deformacijos galimybę, deformacijos tankį ir plastinės zonos dydį mažai deguonies turinčio titano plyšio viršūnėje, efektyviai atbaidė įtrūkimo viršūnę ir parodė precedento neturintis atsparumas lūžiams.

Šis naujas grūdinimo mechanizmas ir kritinių priemaišų kiekio mažinimo strategija suteikia naujų įžvalgų kuriant didelio atsparumo pažeidimams titano lydinius. Tyrimo rezultatai buvo paskelbti prestižiniame tarptautiniame akademiniame žurnale „Advanced Materials“ pavadinimu „Titano vidinio didelio atsparumo lūžiams atskleidimas per sumažintą deguonies priemaišų kiekį“. Pirmasis straipsnio autorius yra Xi'an Jiaotong universiteto doktorantas Zou Xiaowei, o bendraautoriai yra profesoriai Han Weizhong ir Ma En. Xi'an Jiaotong universitetas yra vienintelė atitinkama institucija šiam darbui, kurį rėmė Kinijos nacionalinis gamtos mokslų fondas ir Siano Jiaotongo universiteto jaunų aukščiausio lygio talentų paramos programa.