Comportamenti meccanici del Ti puro, Ti-0.1O, e leghe Ti-0,3O a temperatura ambiente (TA) (~300 K) e temperatura criogenica (~100 K). (A) Curve di sollecitazione-deformazione ingegneristiche rappresentative delle tre leghe con una velocità di deformazione di 10-3 s-1. (B) Curve di deformazione vere e sollecitazioni vere corrispondenti (linee continue) e curve di velocità di incrudimento (simboli) delle tre leghe. (C) Tomografia a frattura di Ti puro a temperatura ambiente. (D) Tomografia a frattura di Ti puro a temperatura criogenica. (E) Tomografia a frattura di Ti-0,3O a temperatura criogenica. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Il titanio è estremamente sensibile a piccole quantità di ossigeno, che può portare a una notevole diminuzione della duttilità del materiale. Gli scienziati dei materiali mirano quindi a ridurre i costi di purificazione del titanio, evitando gli effetti avvelenanti dell'ossigeno. In un nuovo rapporto ora su Progressi scientifici , Yan Chong, e un team di scienziati in scienze e ingegneria dei materiali presso l'Università della California Berkeley e il Lawrence Berkeley National Laboratory negli Stati Uniti, dettagliato uno studio sistematico sulla sensibilità all'ossigeno del titanio. Il team ha fornito una chiara visione meccanicistica degli effetti delle impurità dell'ossigeno sulle proprietà meccaniche del materiale. Il lavoro sperimentale e computazionale ha fornito spunti per una logica per progettare leghe di titanio con maggiore tolleranza alle variazioni del contenuto interstiziale (una posizione tra le posizioni regolari in una serie di atomi in un materiale), con notevoli implicazioni per facilitare l'uso diffuso delle leghe di titanio nei veicoli spaziali, navi da guerra, ingegneria aeronautica e dei materiali.
Leghe di titanio
Le leghe di titanio contengono proprietà altamente desiderabili tra cui resistenza alla corrosione e un'elevata resistenza specifica che le rende materiali strutturali attraenti per un'ampia gamma di applicazioni commerciali. Gli atomi interstiziali possono essere incorporati intenzionalmente o naturalmente per influenzare le proprietà meccaniche del titanio. L'ossigeno è un'impurità interstiziale predominante, ampiamente adottato nelle leghe a base di titanio per consentire un potente effetto di rinforzo per diverse applicazioni. Il titanio è anche intrinsecamente costoso a causa dello stretto controllo delle impurità interstiziali durante la loro fabbricazione. Sebbene i ricercatori abbiano documentato gli effetti di infragilimento delle impurità interstiziali nelle leghe di alfa-titanio, resta da capire l'origine meccanicistica della sensibilità anomala all'ossigeno sulle proprietà meccaniche, limitando così le strategie di progettazione e lavorazione della lega. Gli scienziati dei materiali avevano documentato una transizione "da ondulata a planare" delle disposizioni di dislocazione con l'aumento del contenuto di ossigeno nel metallo. Nel presente lavoro, Chong et al. ha condotto un'indagine sistematica multiscala delle proprietà meccaniche e delle microstrutture di deformazione del titanio.
Confronto delle tipiche morfologie di dislocazione (ondulata o a scorrimento planare dominante) nelle leghe Ti-O dopo deformazioni a trazione interrotte a diverse temperature (500, 300, e 100 K) e velocità di deformazione (10−5s−1, 10−3s−1, 10−1s−1, e 2s−1). La deformazione a trazione è stata del 4,0% per tutte le microstrutture. (A) diagramma 3D che dimostra l'analisi combinata della temperatura, velocità di deformazione, e le dipendenze dal contenuto di ossigeno delle morfologie di dislocazione nelle leghe Ti-O. Una tendenza generale alla transizione di scorrimento da ondulato a planare si è verificata con l'aumento della velocità di deformazione, cioè., da (C) (Ti puro, 10−1 s−1, LN2) a (B) (Ti puro, 2 s-1, LN2), o aumentare il contenuto di ossigeno, cioè., da (D) (Ti-0,1O, 10−5 s−1, LN2) a (E) (Ti-0,3O, 10−5 s−1, LN2), o diminuzione della temperatura, cioè., da (F) (Ti-0,3O, 10−3 s−1, RT) a (G) (Ti-0,3O, 10−3 s−1, LN2). Il confine di transizione che delinea le regioni ondulate a dominanza di scorrimento e planari a dominanza di scorrimento si è gradualmente spostato verso una temperatura più alta e una direzione della velocità di deformazione più bassa con l'aumento del contenuto di ossigeno. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc4060 
Il team mirava a rivelare la natura della polarità di scorrimento associata a un contenuto di ossigeno più elevato rispetto alla concentrazione interstiziale, velocità di deformazione e temperature di deformazione. Hanno attribuito la marcata sensibilità all'ossigeno nel titanio alle transizioni nel comportamento di dislocazione e nell'attività di gemellaggio del metallo. Gli scienziati hanno discusso l'origine atomica delle transizioni relative alla teoria del funzionale della densità (DFT) e alle simulazioni di dinamica molecolare (MD) per fornire informazioni più approfondite per progettare leghe di titanio tolleranti agli interstiziali. Chong et al. testato tre leghe modello tra cui titanio puro (con percentuale in peso 0,05 o %), Ti-0,10 (con 0,10 percentuale in peso-% in peso) e Ti-0,30 (con 0,30% in peso) ad alta temperatura, temperatura ambiente e temperature criogeniche mediante prove di trazione uniassiali. Una leggera variazione del contenuto di ossigeno ha causato marcate modifiche alle proprietà meccaniche delle leghe Ti-O a temperatura ambiente e criogeniche. I cedimenti osservati delle leghe Ti-0.30 a basse temperature hanno evidenziato i suoi limiti per le applicazioni in condizioni criogeniche. Il potenziale di incrudimento delle leghe Ti-O diminuiva con l'aumentare del contenuto di ossigeno. Pure Ti e Ti-0,10 hanno mostrato velocità di incrudimento eccellenti e quasi identiche a temperatura criogenica.
attività di dislocazione
Illustrazione schematica dell'ISM dell'ammorbidimento del piano di scorrimento. (A) reticolo HCP con siti ottaedrici (bianco) ed esaedrici (blu), e prismatico, piramidale, e piani basali (rosso, blu, e verde). (B) Orientamento per le fasi di slittamento della dislocazione mostrate da (I) a (L). (C) Energia GSF modificata sul piano prismatico calcolata con DFT. (D) a (H) mostrano la posizione dell'ossigeno per i passaggi selezionati, a partire dall'ottaedro (D). (E) mostra il sito ottaedrico distorto al massimo dell'energia. Nei passaggi (F) e (H), l'ossigeno si trova in un sito ottaedrico formato alla faglia di impilamento. (G) mostra il sito esaedrico. (I) a (L) dimostrano i passaggi chiave nel modello ISM. In (io), la prima dislocazione (simbolo croce) su un piano prismatico incontra un ossigeno ottaedrico e si resiste allo scorrimento. Alla fine supera questo ostacolo e rimescola l'ossigeno nel sito esaedrico (J). La dislocazione continua a scivolare, e le successive dislocazioni seguono (K). Queste dislocazioni vedono una barriera ridotta dall'ossigeno esaedrico e quindi scivolano facilmente su questo piano (L). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Chong et al. ha poi studiato le tipiche morfologie di dislocazione delle leghe Ti-O sia in modalità ondulata che planare a scorrimento dominante attraverso deformazioni a trazione interrotte a diverse temperature e velocità di deformazione. Combinavano schematicamente le analisi della temperatura, dipendenza dalla velocità di deformazione e dal contenuto di ossigeno della morfologia della dislocazione. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), il team ha esaminato le morfologie rappresentative della dislocazione relative alla velocità di deformazione, concentrazione di ossigeno e temperatura di deformazione. Hanno notato la suscettibilità a una transizione di scorrimento da ondulato a planare (spostamento di una parte del piano cristallografico del materiale rispetto a un altro piano e direzione) che si verifica quando la velocità di deformazione o la velocità dell'ossigeno aumenta, o con temperatura decrescente.
Sebbene lo scorrimento planare sia stato frequentemente riportato nelle leghe Ti-O a temperature criogeniche, il meccanismo sottostante rimane sconosciuto. L'ordinamento a corto raggio (SRO) o la disposizione regolare e prevedibile degli atomi su una breve distanza, per atomi di ossigeno, potrebbe essere un meccanismo proposto; però, i ricercatori non hanno ancora verificato sperimentalmente l'SRO dell'ossigeno nel sistema binario Ti-O con un contenuto di ossigeno diluito. Il team ha quindi calcolato le energie del confine antifase diffuso (DAPB) e ha confermato che lo scorrimento planare è indipendente dalla temperatura e dalla deformazione per le leghe a base di alluminuro di titanio (Ti-Al), in netto contrasto con le leghe Ti-O il cui scorrimento planare dipendeva dalla temperatura e dalla deformazione. Gli scienziati hanno quindi dedotto un'origine diversa per lo scorrimento planare in evoluzione nelle leghe Ti-O.
Rimescolamento interstiziale nel sistema Ti-O e gemellaggio delle deformazioni
Mappe a figura polare inversa (IPF) + qualità d'immagine (IQ) di leghe Ti-O dopo frattura per trazione a temperatura ambiente (RT) e temperatura criogenica (LN2), con una velocità di deformazione di 10−3s−1. (A) Ti puro, RT, e deformazione da frattura:0,40. (B) Ti-0,10, RT, e deformazione da frattura:0,28. (C) Ti-0,3O, RT, e deformazione da frattura:0,16. (D) Ti puro, LN2, e deformazione da frattura:0,60. (E) Ti-0,1O, LN2, e deformazione da frattura:0,56. (F) Ti-0,3O, LN2, e deformazione da frattura:0,04. La direzione di trazione è orizzontale per tutte le microstrutture. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Caratterizzazione della lega Ti-0.3O dopo rottura per trazione a temperatura criogenica. (A) Microscopia ottica dell'area vicino alla superficie della frattura, in cui sono state osservate numerose microfessure (come indicato dalle frecce gialle) lungo i bordi dei grani. (B) Mappa dei confini dei gemelli che mostra i tipi di gemelli vicino alla superficie della frattura [secondo i colori mostrati in (G)]. (C) e (D) sono la mappa IPF e la mappa dei confini gemelli che mostrano un tipico esempio di microfessure che si formano nei punti in cui i gemelli {11-24} sono stati bloccati ai bordi dei grani. (E) Il profilo dell'angolo di disorientamento, in cui è stato riscontrato un evidente picco a 77°, confermando la predominanza di {11-24} gemelli in Ti-0.3O deformati a temperatura criogenica. (F) L'immagine HRTEM (da un asse zona di [-5143]) di un gemello {11-24} sollevato dall'area del rettangolo in (B) con il metodo del fascio ionico focalizzato (FIB). (G) I colori utilizzati nei pannelli B e D. Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Chong et al. ha condotto calcoli DFT (teoria del funzionale della densità) per proporre meccanismi di rimescolamento interstiziale (ISM) per la dipendenza dalla temperatura e dalla velocità delle transizioni di scorrimento da ondulato a planare nelle leghe Ti-O. Sulla base delle energie GSF (generalized stacking fault) ottenute tramite calcoli computazionali, il team ha fornito prove dell'effetto di ammorbidimento del piano di scorrimento associato al processo di mescolamento nel materiale a temperature più basse e velocità di deformazione maggiori. Gli atomi di ossigeno che si sono spostati all'interno del materiale durante il processo di deformazione sono rimasti nelle loro posizioni, riducendo la barriera a ulteriori scivolamenti. Il concetto di gemellaggio può anche dare origine a eccellenti proprietà meccaniche delle leghe di titanio osservate a temperature criogeniche in cui le attività di dislocazione diventano tipicamente difficili.
I ricercatori hanno finora segnalato quattro modalità comuni di torsione a deformazione nel titanio, inclusi due gemelli di tensione (T1 e T2) e due gemelli di compressione (C1 e C2). Chong et al. considerato una panoramica del comportamento di gemellaggio in funzione del contenuto di ossigeno e della temperatura. Con l'aumento del contenuto di ossigeno, le frazioni gemelle a temperatura ambiente sono state continuamente ridotte al punto in cui non è stato possibile rilevare gemelli apprezzabili nelle leghe Ti-0,30 a temperatura ambiente. L'attività di gemellaggio è aumentata sostanzialmente nel titanio puro a temperature criogeniche. Hanno attribuito la funzionalità migliorata in puro titanio a un livello di stress interno maggiore. Per comprendere ulteriormente il comportamento anomalo dei gemelli, gli scienziati hanno studiato le interazioni tra ossigeno e confini gemelli utilizzando simulazioni atomiche.
Veduta
In questo modo, Yan Chong e colleghi hanno considerato l'influenza sistematica dell'ossigeno sulla morfologia della dislocazione e sulla frazione di gemellaggio per presentare una visione meccanicistica della sensibilità all'ossigeno sulle proprietà meccaniche del titanio. Hanno accreditato l'origine della velocità di deformazione della temperatura e della sensibilità al contenuto di ossigeno della planarità di scorrimento della lega Ti-O al movimento degli atomi di ossigeno invece dell'ordinamento a corto raggio degli atomi. Il modello dei meccanismi di mescolamento interstiziale (ISM) ha fornito una spiegazione alla temperatura osservata e alla sensibilità alla deformazione dello scorrimento planare nelle leghe Ti-O. Le strategie di progettazione della lega simulata che hanno interrotto il processo di mescolamento interstiziale in questo lavoro possono aumentare notevolmente la tolleranza interstiziale delle leghe di titanio per offrire effetti di rinforzo senza un sacrificio di duttilità accompagnatorio.
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