近日，西安交通大学韩卫忠教授表示和团队成功突破了钛和钛合金的极限性能，将商业纯钛的氧杂质含量从0.14wt%降至0.02wt%，让其断裂韧性从117提至255。低氧钛的断裂韧性超越了目前已报道的所有商业纯钛和钛合金。本研究，还首次揭示了钛的超高本征断裂韧性，打破了钛及钛合金的断裂韧性均低于130的传统认知，证明低氧钛是目前已知最有韧性的金属材料之一。总的来说，本次成果为设计高强、高韧的钛合金带来了重要启示。目前，在航空航天领域为了促进钛合金在某些安全关键负载条件下的应用，人们已经在钛合金中采用了控制氧含量的设计思路，能提高钛合金的断裂韧性，已有相关产品实现商业化。然而，对于当下的损伤容限型钛合金来说，氧含量仍然处于较高水平，导致其断裂韧性仍被限制在130以下。要想进一步提高经典钛合金的应用范围，就得提升服役安全性。通过进一步地降低氧杂质的含量，将能让该钛合金的断裂韧性实现跨越式提升。有望大幅提高密排六方金属的变形能力多年来一直关注固溶氧对金属材料性能的影响，几年前曾对第五副族难熔金属钒、铌、钽的氧脆机制开展了研究。发现金属材料中固溶的氧在变形过程中，容易与位错运动产生的空位结合，形成氧-空位复合体。氧-空位复合体能够强烈地钉扎位错，并能促进变形微孔的形成，由此会引发第五副族难熔金属的氧脆现象。为了实现固溶氧致脆现象的良好转化，课题组发明了金属表面梯度渗氧的技术。通过在高温氧气氛中，针对易于吸氧的金属加以处理，让氧从金属表面扩散到金属内部。金属内部会形成一种从表面到内部的氧浓度梯度，让金属材料表面变硬，而金属材料芯部则能保持韧性。这样就能获得兼具高强度与高韧性的金属材料，还能提高金属的表面耐磨性。金属表面渗氧技术类似于渗碳技术和渗氮技术，是全新的金属材料表面强化技术。当使用金属表面梯度渗氧技术，针对高纯钛进行处理并进行拉伸变形之后，他们发现样品的外侧梯度渗氧区和芯部低氧区的变形特征，出现了十分显著的差异。芯部低氧区会产生大量的变形孪晶，而靠近表面的梯度渗氧区由于氧含量比较高则没有形成变形孪晶。这就说明，氧含量对于钛的变形孪生倾向有着巨大影响，即低氧含量时，更容易产生变形孪生。来源：Acta Materialia近几年来一直在研究金属材料的韧脆转变问题。对于在温度降低之后，体心立方金属的塑性变形能力会出现突然下降的情况，重点研究了背后的微观机理。研究结果表明：体心立方金属的韧脆转变，与位错源的效率密切相关。对于位错源效率来说，它由螺位错和刃位错的相对运动能力决定。由此可见，对于金属材料的韧脆特性来说，它与螺位错和刃位错的相对运动能力有着密切联系。依托这一发现，在调控密排六方金属的变形能力上，课题组找到了新思路。断裂韧性值稳定在255 在研究伊始并没有重点关注钛中氧含量对于断裂韧性的影响，而是重点研究了密排六方结构纯锆的微观结构与断裂韧性关系。当发现氧对于密排六方金属孪生的重要影响之后，课题组才开始尝试使用低氧钛作为模型材料，进而研究其变形机制与断裂韧性。测试中遇到了一个从未遇到的情况：和商业纯钛相比，在加载的过程之中，低氧钛样品的裂纹扩展速度非常缓慢。于是，针对研究计划加以重新审视。决定从揭示钛的本征断裂韧性角度出发，借此发现低氧钛是已知的韧性最强的金属材料之一。课题组制备了厚度从2.5mm-30mm不等的多个样品，并分别测量出对应的断裂韧性值，进而研究了样品断裂韧性随厚度的变化趋势。结果显示：低氧钛的断裂韧性值能够稳定在255MPa∙m1/2。而他们所使用样品最厚的厚度是30mm，这超过了断裂力学标准所要求的27mm的最小厚度。来源：研究者提供为进行对比，对商业纯钛进行标准测试，发现商业纯钛的断裂韧性仅为117，远远低于低氧钛的断裂韧性。上述两种纯钛的最大差异，在于氧元素杂质的含量不同。商业纯钛中的氧含量大约是低氧钛的7倍，这表明氧杂质含量是造成二者断裂韧性差异的主因。随后，进一步分析了两种钛合金中的位错结构特征。发现商业纯钛中主要是<a>位错，<c+a>位错很少。低氧钛会形成独特的递进韧化机制。当降低氧含量之后，能够大量激活低氧钛的裂纹尖端变形孪晶。孪晶界会发射高密度的<c+a>位错，并能显著提高裂尖处的变形密度和塑性区尺寸，进而能让裂纹得到有效钝化，最终让低氧钛得以拥有超高的断裂韧性。相关论文以《通过降低氧杂质含量揭示钛的固有高断裂韧性》（Uncovering the Intrinsic High Fracture Toughness of Titanium via Lowered Oxygen Impurity Content）为题发表在Advanced Materials上。Resource：DeepTech
