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登頂《Science》正刊封面!2GPa超高強度塑性納米孿晶鈦

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編輯推薦:在純Ti中通過低溫力學過程,構建多層次納米孿晶結構,顯著提高了其抗拉強度和延展性。純鈦達到了接近2GPa的極限拉伸強度和77K下接近100%的真實失效應變。多尺度孿晶結構的熱穩定性可達873K,這高于極端環境中許多應用的臨界溫度。與力學性能相似、價格昂貴的高熵合金相比,納米孿晶Ti中不含其他合金元素,更為經濟。

納米結構金屬通常是高強的,因為內部邊界的超高密度限制了位錯的平均自由路徑。通常,由于它們的加工硬化能力下降,它們也更脆。而具有鏡像對稱相干界面的納米孿晶材料可以克服這種固有的權衡。

在此,來自美國加州大學伯克利分校、北京航空航天大學等單位的研究者,展示了一種塊體納米結構方法,在六方封閉、無溶質、粗晶鈦(Ti)中產生多尺度分級孿晶結構顯著提高了抗拉強度和延展性。相關論文以題為“Cryoforged nanotwinned titanium with ultrahigh strength and ductility”發表在Science上。與此同時,這篇文章登上了同期《Science》的封面。

論文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe7252

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鈦(Ti),在所有金屬元素中具有最高的強度重量比,除了其優異的耐腐蝕性能,使其成為各種重量和環境敏感的承重應用的理想材料。純Ti的強度是中等的。硬化Ti的一種方法是將其與其他元素如氧(O)、鋁(Al)和釩(V)合金化,形成固溶體或二次相。這些合金的強度得到了提高,但幾乎總是以塑性為代價。

強化結構金屬的另一種途徑,是通過熱機械加工來調整晶粒尺寸。具體地說,將晶粒尺寸減小到亞微米和納米范圍會顯著提高屈服強度,而當引入某些類型的界面時,可以保持延展性。在這方面,過去二十年見證了納米孿晶金屬的成功發展。大量的面心立方(fcc)金屬研究表明,孿晶可以在不犧牲抗斷裂能力的情況下大大提高強度。這一觀察結果歸因于孿晶邊界的相干性質,根據其特性,孿晶邊界既能阻擋入射位錯,也能傳遞入射位錯,從而分別提供強度和延展性。通過調整孿晶片的間距和取向,可以進一步優化其力學性能。具有梯度結構的納米孿晶銅,由于具有額外的加工硬化能力而增強了強度,而高度取向的納米孿晶銅由于具有明顯的位錯路徑而增強了疲勞抗力。孿晶界也代表在高溫下遷移率大大降低的低能晶界。這種特性使它們在熱上比隨機的高角度晶界更穩定。

在這方面,納米級孿晶是結構金屬的最佳特征。然而,以一種成本效益高的方式將這些特性工程到材料中并非易事。傳統上,這可以通過自下而上的方法,如電沉積和濺射,或自上而下的方法,如嚴重的塑性變形來實現。然而,這些方法幾乎都已成功地應用于催化裂化金屬,主要是銅和鋼,而推廣應用于六方緊密堆積(hcp)金屬則面臨著挑戰。這一挑戰包括:在不產生不利殘余應力的情況下,在塊狀樣品中創建納米孿晶結構的一般方法。

在此,研究者證明,在純Ti(名義成分重量百分比:99.95% Ti和0.05% O)中,通過低溫力學過程誘導的大量力學孿生,可以構建層次納米孿晶結構。選擇超低含量的O(低于工業純級Ti)來促進孿晶傾向,因為O抑制Ti中的孿晶。將長方體試樣在液氮中沿三個主軸重復鍛造(圖1A)。研究者得到了一種塊體納米結構方法,在六方封閉、無溶質、粗晶鈦(Ti)中產生多尺度、分級孿晶結構,顯著提高了抗拉強度和延展性。純鈦達到了接近2GPa的極限拉伸強度和77K下接近100%的真實失效應變。多尺度孿晶結構的熱穩定性可達873開爾文,這高于極端環境中許多應用的臨界溫度。該研究結果證明了在不涉及奇異和通常昂貴的合金元素的情況下,在Ti中實現了吸引人的力學性能的實際路線。

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圖1 低溫力學制備的納米孿晶Ti的層次結構。

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圖2 納米級Ti的力學性能。

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圖3 納米孿晶鈦的微觀結構演變。

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圖4 納米孿晶鈦的熱穩定性。

綜上所述,納米孿晶Ti的熱穩定性使其適用于高達873 K的溫度,這與許多工業發電廠的應用程序相媲美,適用于燃氣渦輪發動機的較低溫度區域。此外,與力學性能相似、價格昂貴的高熵合金相比,納米孿晶Ti中不含其他合金元素。這使得它成為一種“更簡單”的合金,經濟上很有吸引力,而且易于回收。所有這些有利因素,使納米孿晶鈦不僅在科學上有趣,而且是一種潛在的工業產品。(文:水生)

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