作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 纯钛、钛-0的力学行为
1O和Ti-0
室温(~300 K)和低温(~100 K)下的3O合金
应变率为103 S1的三种合金的代表性工程应力-应变曲线
(二)三种合金相应的真应力-真应变曲线(实线)和应变硬化率(符号)曲线
纯钛室温断裂断层成像
纯钛在低温下的断裂断层成像
(五)钛-0的断裂断层成像
低温下3O
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abc4060 钛对少量的氧极其敏感，这会导致材料的延展性显著降低
因此，材料科学家的目标是降低提纯钛的成本，同时避免氧的中毒效应
在《科学进展》的一份新报告中，阎崇和加州大学伯克利分校和美国劳伦斯·伯克利国家实验室的一组材料科学和工程科学家
S
，详细系统地研究了钛的氧敏感性
该团队提供了氧杂质对材料机械性能影响的清晰机械论观点
实验和计算工作提供了设计钛合金的基本原理，该钛合金对内部成分(材料中原子阵列的规则位置之间的位置)的变化具有更高的耐受性，这对于促进钛合金在航天器、舰船、飞机和材料工程中的广泛应用具有显著的意义
钛合金 钛合金具有非常理想的性能，包括耐腐蚀性和高比强度，使其成为具有广泛商业用途的有吸引力的结构材料
间隙原子可以被有意或自然地引入以影响钛的机械性能
氧是一种主要的间隙杂质，在钛基合金中被广泛采用，以在不同的应用中实现有效的强化效果
由于在制造过程中对间隙杂质的严格控制，钛本身也很昂贵
尽管研究人员已经记录了α-钛合金中间隙杂质的脆化效应，但异常氧敏感性对机械性能的机械起源仍有待理解，从而限制了合金设计和加工策略
材料科学家已经记录了随着金属中氧含量的增加，位错排列从“波状”到“平面”的转变
在目前的工作中，崇等人
对钛的力学性能和变形微观结构进行了系统的多尺度研究
在不同温度(500、300和100 K)和应变速率(105秒1、103秒1、101秒1和2秒1)下断续拉伸变形后钛氧合金中典型位错形态(波状或平面滑移为主)的比较
拉伸应变为4
0%用于所有微结构
展示温度、应变率和氧含量对钛氧合金中位错形态的依赖关系的综合分析的三维图
随着应变率的增加，即
e
，从(C)(纯钛，101s 1，LN2)到(B)(纯钛，2s 1，LN2)，或增加氧含量，I
e
，来自(D)(钛-0
1O，105s 1，LN2)至(E) (Ti-0
3O，105s 1，LN2)，或降低温度，I
e
，来自(F)(钛-0
3O，103s 1，RT)至(G) (Ti-0
3O，103s 1，LN2)
随着氧含量的增加，描述波状滑移主导区和平面滑移主导区的过渡边界逐渐向较高温度和较低应变速率方向移动
学分:科学进步，doi: 10
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abc4060 氧对钛合金力学性能的影响 该团队旨在揭示与间隙浓度、应变率和变形温度相关的较高氧含量相关的滑移极性的性质
他们将钛中显著的氧敏感性归功于金属的位错行为和孪晶活动的转变
科学家们讨论了与密度泛函理论和分子动力学模拟相关的跃迁的原子起源，为设计耐间隙钛合金提供了更深入的见解
Chong等人
测试了三种模型合金，包括纯钛(0
05重量百分比或重量%)，钛-0
10(带0
10重量百分比——重量%)和钛-0
30(带0
在高温、室温和低温下使用单轴拉伸试验
氧含量的微小变化导致钛氧合金在室温和低温下的机械性能发生显著变化
观察到的钛-0的失效
30低温合金突出了其在低温条件下应用的局限性
钛氧合金的应变硬化势随着氧含量的增加而降低
纯钛和钛-0
10在低温下表现出极好且几乎相同的应变硬化速率
位错活动 滑动面软化的ISM示意图
(一)八面体(白色)和六面体(蓝色)位置以及棱柱形、金字塔形和基面(红色、蓝色和绿色)的HCP点阵
(二)(一)至(一)所示位错滑移步骤的取向
用密度泛函理论计算的棱镜面上的修正GSF能量
从八面体开始显示选定步骤的氧位置
显示了能量最大的扭曲八面体位置
在步骤(F)和(H)中，氧位于堆垛层错处形成的八面体位置
(G)显示了六面体位置
(1)演示ISM模型中的关键步骤
在(1)中，棱柱形平面上的第一个位错(十字符号)遇到八面体氧，滑移被阻止
它最终克服了这个障碍，把氧气排到了六面体位置
位错继续滑动，随后的位错跟在后面
这些位错受到六面体氧的减少的阻碍，因此很容易在这个平面上滑动
学分:科学进步，doi: 10
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abc4060 Chong等人
然后通过不同温度和应变速率下的断续拉伸变形，研究了钛氧合金的典型位错形态，无论是波状位错还是平面滑移为主的位错形态
他们示意性地结合了位错形态的温度、应变率和氧含量依赖性的分析
利用透射电子显微镜，研究小组检测了与应变率、氧浓度和变形温度相关的代表性位错形态
他们注意到，当应变速率或氧速率增加时，或随着温度降低，易发生波浪形到平面的滑移转变(材料晶面的一部分相对于另一个平面和方向的位移)
尽管在低温下钛氧合金中经常有平面滑移的报道，但其潜在机理仍不清楚
对于氧原子来说，短程有序(SRO)或原子在短距离内的规则和可预测的排列可能是一种被提议的机制；然而，研究人员还没有通过实验验证氧含量较低的钛氧二元体系中氧的氧化还原
因此，研究小组计算了弥散反相边界能量，并证实钛铝化物基合金的平面滑移与温度和应变无关，这与钛氧合金的平面滑移依赖于温度和应变形成了鲜明的对比
因此，科学家们推断出钛氧合金平面滑移的不同起源
钛氧体系中的间隙重排和形变孪晶 钛氧合金在室温和低温拉伸断裂后的反极图(IPF) +图像质量图(智商)，应变率为103s 1
纯钛、室温和断裂应变:0
40
(二)钛-0
10、室温和断裂应变:0
28
钛-0
3O、室温和断裂应变:0
16
纯钛、LN2和断裂应变:0
60
(五)钛-0
1O、LN2和断裂应变:0
56
钛-0
3O、LN2和断裂应变:0
04
所有微结构的拉伸方向都是水平的
学分:科学进步，doi: 10
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abc4060 钛-0的表征
低温拉伸断裂后的3O合金
(一)断口附近区域的光学显微镜，沿晶界观察到若干微裂纹(如黄色箭头所示)
(B)孪晶界图，根据(G)中所示的颜色显示了靠近断裂表面[的孪晶类型]
(C)和(D)是IPF图和孪晶界图，显示了在{11-24}孪晶在晶界处被阻挡的点处形成微裂纹的一个典型例子
(5)取向角剖面，在77°处有一个明显的峰，证实了钛-0中{11-24}孪晶占优势
3O在低温下变形
(六)一个{11-24}孪晶的HRTEM图像(来自[-5143的区域轴)，通过聚焦离子束方法从(二)中的矩形区域中取出
(G)面板B和面板D中使用的颜色
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abc4060 Chong等人
进行密度泛函理论计算，提出钛氧合金中波状-平面滑移转变的温度和速率依赖性的间隙重排机制
基于通过计算获得的广义堆垛层错(GSF)能量，研究小组提供了证据，证明在较低的温度和较大的应变速率下，滑移面软化效应与材料的滑移过程有关
在变形过程中在材料内部移动的氧原子保持在它们的位置上，减少了进一步滑动的障碍
孪晶的概念也能使钛合金产生优异的机械性能，这种性能在位错活动通常变得困难的低温下观察到
到目前为止，研究人员已经报道了钛中四种常见的变形孪晶模式，包括两种拉伸孪晶(T1和T2)和两种压缩孪晶(C1和C2)
Chong等人
认为孪晶行为是氧含量和温度的函数
随着氧含量的增加，室温下的孪晶部分不断减少，直至在钛-0中检测不到明显的孪晶
30合金在室温下
低温下纯钛的孪晶活性显著增强
他们将纯钛的增强特性归功于更大的内应力水平
为了进一步了解双胞胎的异常行为，科学家们使用原子模拟研究了氧和双胞胎边界之间的相互作用
前景 通过这种方式，阎崇和他的同事考虑了氧对位错形态和孪晶分数的系统影响，提出了氧对钛的机械性能的敏感性的一种机制观点
他们把钛氧合金滑动平面性的温度应变率和氧含量敏感性的起源归功于氧原子的运动，而不是原子的短程有序化
间隙重排机制模型为观察到的钛氧合金平面滑移的温度和应变敏感性提供了解释
在这项工作中，中断填隙调整过程的模拟合金设计策略可以显著增加钛合金的填隙公差，以提供强化效果，而不伴随延展性的牺牲
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