“令人興奮的是，低氧钛的斷裂韌性超越了目前已報道的所有商業純钛和钛合金，甚至超過了大部分金屬材料。”西安交通大學韓衛忠教授表示。
圖 | 韓衛忠（來源：韓衛忠）
近日，他和團隊成功突破了钛和钛合金的極限性能，将商業純钛的氧雜質含量從 0.14wt.% 降至 0.02wt.%，讓其斷裂韌性從 117MPa∙m^1/2 提至 255MPa∙m^1/2。
通過本次研究，他們還首次揭示了钛的超高本征斷裂韌性，打破了钛及钛合金的斷裂韌性均低于 130MPa∙m^1/2 的傳統認知，證明低氧钛是目前已知最有韌性的金屬材料之一。
總的來說，本次成果為設計高強、高韌的钛合金帶來了重要啟示。
目前，在航空航天領域為了促進钛合金在某些安全關鍵負載條件下的應用，人們已經在钛合金中采用了控制氧含量的設計思路，這不僅能提高钛合金的斷裂韌性，并已有相關産品實作商業化。
例如，損傷容限型 Ti-6Al-4V（TC4 DT）合金、以及超低間隙（ELI）Ti-6Al-4V 合金，均已得到廣泛的應用。
然而，對于當下的損傷容限型钛合金來說，它裡面的氧含量仍然處于較高水準，導緻其斷裂韌性仍被限制在 130MPa∙m1/2 以下。
要想進一步提高 Ti-6Al-4V 等經典钛合金的應用範圍，就得提升它的服役安全性。後續，通過進一步地降低氧雜質的含量，将能讓該钛合金的斷裂韌性實作跨越式提升。
事實上，幾乎所有的密排六方結構金屬，包括目前已被廣泛使用的钛、锆、鎂、鋅等，都存在<c+a>位錯難以被激活、或可動性較差的現象。
這讓它們的塑性和斷裂韌性，遠遠低于大部分面心立方結構金屬，導緻其應用範圍受到限制。
是以，後續可以通過合金化的設計方案，來促進變形孿晶大量激活。
進而通過孿晶界來促進<c+a>位錯的密集啟動，借此顯著提升密排六方金屬的力學性能。
（來源：Advanced Materials）
有望大幅提高密排六方金屬的變形能力
韓衛忠表示，多年來他和團隊一直關注固溶氧對金屬材料性能的影響，幾年前就曾對第五副族難熔金屬釩、铌、钽的氧脆機制開展了研究。
研究發現，金屬材料中固溶的氧在變形過程中，容易與位錯運動産生的空位結合，形成氧-空位複合體。
氧-空位複合體能夠強烈地釘紮位錯，并能促進變形微孔的形成，由此會引發第五副族難熔金屬的氧脆現象。
為了實作固溶氧緻脆現象的良好轉化，課題組發明了一種名為金屬表面梯度滲氧的技術。
即通過在高溫氧氣氛中，針對易于吸氧的金屬加以處理，讓氧從金屬表面擴散到金屬内部。
期間，金屬内部會形成一種從表面到内部的氧濃度梯度，這會讓金屬材料表面變硬，而金屬材料芯部則能保持韌性。
這樣一來，就能獲得兼具高強度與高韌性的金屬材料，同時還能提高金屬的表面耐磨性。
事實上，金屬表面滲氧技術類似于滲碳技術和滲氮技術，是一種全新的金屬材料表面強化技術。
當使用金屬表面梯度滲氧技術，針對高純钛進行處理并進行拉伸變形之後，他們發現樣品的外側梯度滲氧區和芯部低氧區的變形特征，出現了十分顯著的差異。
具體來說：芯部低氧區會産生大量的變形孿晶，而靠近表面的梯度滲氧區由于氧含量比較高則沒有形成變形孿晶。
這說明：氧含量對于钛的變形孿生傾向有着巨大影響，即低氧含量時，更容易産生變形孿生。
（來源：Acta Materialia）
據課題組介紹，近幾年來他們也一直在研究金屬材料的韌脆轉變問題。
對于在溫度降低之後，體心立方金屬的塑性變形能力會出現突然下降的情況，他們重點研究了背後的微觀機理。
研究結果表明：體心立方金屬的韌脆轉變，與位錯源的效率密切相關。即其決定因素是在變形之時，金屬材料内部能否及時産生足夠多的可動位錯來協調變形。
同時，對于位錯源效率來說，它由螺位錯和刃位錯的相對運動能力決定。
在韌脆轉變溫度之下，螺位錯的可動性很差，而刃位錯易于滑動，導緻整個位錯線的運動能力被限制。
更重要的是，在這種運動不協調的情況下，位錯線不能轉化為高效的位錯源，是以難以實作位錯的有效自增殖。
這時，由于可以協調變形的可動位錯數量太少，是以一旦環境溫度降低到某個溫度以下，體心立方金屬就會發生突然的韌脆轉變。
由此可見：對于金屬材料的韌脆特性來說，它與螺位錯和刃位錯的相對運動能力有着密切聯系。
依托這一發現，在調控密排六方金屬的變形能力上，課題組找到了新思路。
研究人員表示，密排六方金屬比如钛、锆和鎂等，它們的晶格對稱性較低。
通常柱面或基面<a>滑移更加容易被啟動，而錐面<c+a>滑移則會難以啟動。
這會讓密排六方金屬無法滿足泰勒-馮-米塞斯準則，最終導緻密排六方金屬整體的變形能力偏弱。
事實上，錐面<c+a>位錯滑移之是以難以啟動，是由于其自身的原因。由于<c+a>刃位錯很容易分解到柱面和基面，是以可動性很差。
而<c+a>螺位錯相對更容易滑動，是以在密排六方金屬中，人們通常會觀察到長直的<c+a>刃位錯、以及很短的<c+a>螺位錯。
這表明兩種位錯的可動性差異很大，而難以滑動的位錯通常會保留下來。這一點也與脆性體心立方金屬中經常看到的長直螺位錯現象是類似的。
對于錐面<c+a>位錯的刃分量和螺分量來說，它們的可動性存在較大差異，是以其自增殖能力很弱，進而會導緻在變形時缺乏足夠的錐面<c+a>位錯協調<c>軸變形。
而要想增加<c+a>位錯的數量，可以采取增加<c+a>位錯源的數量的政策。
值得注意的是，該團隊在前期研究中恰好發現：锆中的孿晶界可以發射<c+a>位錯。基于此，他們通過降低氧含量來促進孿生變形。
這時，大量的孿晶界能被作為位錯源，進而可以激發高密度的<a>和<c+a>滑移，進而有望大幅提高密排六方金屬的變形能力。
（來源：Advanced Materials）
斷裂韌性值穩定在 255MPa∙m1/2
事實上，在研究伊始他們并沒有重點關注钛中氧含量對于斷裂韌性的影響，而是重點研究了密排六方結構純锆的微觀結構與斷裂韌性關系。
當發現氧對于密排六方金屬孿生的重要影響之後，課題組才開始嘗試使用低氧钛作為模型材料，進而研究其變形機制與斷裂韌性。
測試中，他們遇到了一個從未遇到的情況：即和商業純钛相比，在加載的過程之中，低氧钛樣品的裂紋擴充速度非常緩慢。
于是，他們針對研究計劃加以重新審視。後來，其決定從揭示钛的本征斷裂韌性角度出發，借此發現低氧钛是已知的韌性最強的金屬材料之一。
與此同時，還有兩個問題必須要回答：
其一，如何測得一個既滿足斷裂力學标準又能夠被同行廣泛認可的斷裂韌性值？
其二，為何低氧钛具有如此高的斷裂韌性？其内在的韌化機制是什麼？
為了測到标準的斷裂韌性值，他們開始研究低氧钛斷裂韌性與樣品厚度的關系。
詳細來說：課題組制備了厚度從 2.5mm-30mm 不等的多個樣品，并分别測量出對應的斷裂韌性值，進而研究了樣品斷裂韌性随厚度的變化趨勢。
結果顯示：低氧钛的斷裂韌性值能夠穩定在 255MPa∙m1/2。而他們所使用樣品最厚的厚度是 30mm，這超過了斷裂力學标準所要求的 27mm 的最小厚度。
（來源：研究者提供）
為了進行對比，他們又針對商業純钛進行标準測試，發現商業純钛的斷裂韌性僅為 117MPa∙m1/2，遠遠低于低氧钛的斷裂韌性。
而上述兩種純钛的最大差異，在于氧元素雜質的含量不同。商業純钛中的氧含量大約是低氧钛的 7 倍，這表明氧雜質含量是造成二者斷裂韌性差異的主因。
随後，他們進一步分析了兩種钛合金中的位錯結構特征。借此發現：商業純钛中主要是<a>位錯，<c+a>位錯很少。
相比之下，低氧钛裂紋尖端區激活了高密度的<a>位錯，并能啟動大量的<c+a>位錯，且這些<c+a>位錯會從孿晶界處發射。這表明，孿晶界是<c+a>位錯源。
正是以，低氧钛會形成獨特的遞進韌化機制。當降低氧含量之後，能夠大量激活低氧钛的裂紋尖端變形孿晶。
随後，孿晶界會發射高密度的<c+a>位錯，并能顯著提高裂尖處的變形密度和塑性區尺寸，進而能讓裂紋得到有效鈍化，最終讓低氧钛得以擁有超高的斷裂韌性。至此，本次研究正式結束。
（來源：Advanced Materials）
日前，相關論文以《通過降低氧雜質含量揭示钛的固有高斷裂韌性》（Uncovering the Intrinsic High Fracture Toughness of Titanium via Lowered Oxygen Impurity Content）為題發在 Advanced Materials[1]。
西安交通大學博士生鄒小偉是第一作者，韓衛忠教授和馬恩教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）
對于本次論文審稿人表示，相比不鏽鋼這樣的高韌性金屬材料而言，钛通常表現出較低的斷裂韌性，這強化了人們對于密排六方金屬固有韌性較差的刻闆印象。
然而，本次研究中針對低氧钛的結果，挑戰了這一刻闆印象。它表明：密排六方金屬具有很高的斷裂韌性潛力，并且能和不鏽鋼相媲美。
後續，課題組希望将低氧的政策運用到高強高韌钛合金的設計和制造中。
針對目前廣泛使用的 Ti-6Al-4V 合金，他們計劃開發全新的樣品制備工藝，希望能夠大幅降低 Ti-6Al-4V 合金中的氧雜質含量。
預計這将有助于促進裂紋尖端變形孿晶的大量啟動，進一步激活<c+a>位錯，進而顯著提升 Ti-6Al-4V 合金的斷裂韌性，擴大其應用範圍并能提高服役安全性。
此外，還可以對钛合金進行合金成分設計，通過特定的合金元素促進裂紋尖端變形孿晶或<c+a>位錯的啟動，助力于實作钛合金強度-斷裂韌性的協同提升。
參考資料：
1.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202408286
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