Comportamientos mecánicos del Ti puro, Ti-0.1O, y aleaciones de Ti-0.3O a temperatura ambiente (TA) (~ 300 K) y temperatura criogénica (~ 100 K). (A) Curvas de esfuerzo-deformación de ingeniería representativas de las tres aleaciones con una tasa de deformación de 10−3 s − 1. (B) Curvas de deformación verdadera tensión-verdadera correspondientes (líneas continuas) y curvas de velocidad de endurecimiento por deformación (símbolos) de las tres aleaciones. (C) Tomografía de fractura de Ti puro a temperatura ambiente. (D) Tomografía de fractura de Ti puro a temperatura criogénica. (E) Tomografía de fractura de Ti-0.3O a temperatura criogénica. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc4060
El titanio es extremadamente sensible a pequeñas cantidades de oxígeno, lo que puede conducir a una notable disminución de la ductilidad del material. Por lo tanto, los científicos de materiales tienen como objetivo reducir los costos de purificación del titanio, evitando al mismo tiempo los efectos del envenenamiento del oxígeno. En un nuevo informe ahora en Avances de la ciencia , Yan Chong, y un equipo de científicos en ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de California Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en los EE. UU. detalló un estudio sistemático sobre la sensibilidad al oxígeno del titanio. El equipo proporcionó una visión mecanicista clara de los efectos de las impurezas de oxígeno en las propiedades mecánicas del material. El trabajo experimental y computacional proporcionó información para un fundamento para diseñar aleaciones de titanio con mayor tolerancia a las variaciones en el contenido intersticial (una posición entre las posiciones regulares en una matriz de átomos en un material), con implicaciones notables para facilitar el uso generalizado de aleaciones de titanio en naves espaciales, barcos navales, ingeniería de aeronaves y materiales.
Aleaciones de titanio
Las aleaciones de titanio contienen propiedades muy deseables, incluida la resistencia a la corrosión y una alta resistencia específica, lo que las convierte en materiales estructurales atractivos en una amplia gama de aplicaciones comerciales. Los átomos intersticiales se pueden incorporar de forma intencionada o natural para influir en las propiedades mecánicas del titanio. El oxígeno es una impureza intersticial predominante, ampliamente adoptado en aleaciones a base de titanio para permitir un potente efecto de refuerzo para diversas aplicaciones. El titanio también es inherentemente caro debido al estricto control de las impurezas intersticiales durante su fabricación. Aunque los investigadores han documentado los efectos de fragilización de las impurezas intersticiales en las aleaciones de alfa-titanio, Queda por comprender el origen mecanicista de la sensibilidad anómala al oxígeno en las propiedades mecánicas, lo que limita el diseño de la aleación y las estrategias de procesamiento. Los científicos de materiales habían documentado una transición "ondulada a plana" de las disposiciones de dislocación con un contenido de oxígeno creciente en el metal. En el presente trabajo, Chong y col. llevó a cabo una investigación sistemática a múltiples escalas de las propiedades mecánicas y microestructuras de deformación del titanio.
Comparación de las morfologías de dislocación típicas (dominante de deslizamiento ondulado o plano) en aleaciones de Ti-O después de deformaciones de tracción interrumpidas a diferentes temperaturas (500, 300, y 100 K) y tasas de deformación (10−5s − 1, 10−3s − 1, 10−1s − 1, y 2 s − 1). La deformación por tracción fue del 4,0% para todas las microestructuras. (A) Diagrama 3D que demuestra el análisis combinado de temperatura, tasa de deformación, y dependencias del contenido de oxígeno de las morfologías de dislocación en las aleaciones de Ti-O. Se produjo una tendencia general de transición de deslizamiento ondulado a plano con el aumento de la tasa de deformación, es decir., de (C) (Ti puro, 10−1 s − 1, LN2) a (B) (Ti puro, 2 s − 1, LN2), o aumentar el contenido de oxígeno, es decir., de (D) (Ti-0.1O, 10−5 s − 1, LN2) a (E) (Ti-0.3O, 10−5 s − 1, LN2), o temperatura decreciente, es decir., de (F) (Ti-0.3O, 10−3 s − 1, RT) a (G) (Ti-0.3O, 10−3 s − 1, LN2). El límite de transición que delimita las regiones dominantes de deslizamiento ondulado y dominantes de deslizamiento plano se desplazó gradualmente hacia una temperatura más alta y una dirección de velocidad de deformación más baja con el aumento del contenido de oxígeno. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc4060 
El equipo tuvo como objetivo revelar la naturaleza de la polaridad de deslizamiento asociada con un mayor contenido de oxígeno en relación con la concentración intersticial. velocidad de deformación y temperaturas de deformación. Atribuyeron la marcada sensibilidad al oxígeno en el titanio a las transiciones en el comportamiento de dislocación y la actividad de hermanamiento del metal. Los científicos discutieron el origen atómico de las transiciones en relación con la teoría funcional de la densidad (DFT) y las simulaciones de dinámica molecular (MD) para proporcionar conocimientos más profundos para diseñar aleaciones de titanio tolerantes al intersticio. Chong y col. probó tres aleaciones modelo, incluido el titanio puro (con un porcentaje de peso o% en peso de 0.05), Ti-0.10 (con 0.10 porcentaje en peso —% en peso) y Ti-0.30 (con 0.30% en peso) a alta temperatura, temperatura ambiente y temperaturas criogénicas mediante ensayos de tracción uniaxial. Una ligera variación del contenido de oxígeno provocó cambios marcados en las propiedades mecánicas de las aleaciones de Ti-O a temperatura ambiente y temperaturas criogénicas. Las fallas observadas de las aleaciones de Ti-0.30 a bajas temperaturas destacaron sus limitaciones para aplicaciones en condiciones criogénicas. El potencial de endurecimiento por deformación de las aleaciones de Ti-O disminuyó al aumentar el contenido de oxígeno. El Ti puro y el Ti-0.10 exhibieron tasas de endurecimiento por deformación excelentes y casi idénticas a temperatura criogénica.
Actividad de dislocación
Ilustración esquemática de ISM del ablandamiento del plano de deslizamiento. (A) Celosía HCP con sitios octaédricos (blanco) y hexaédricos (azul), y prismático, piramidal, y planos basales (rojo, azul, y verde). (B) Orientación para los pasos del deslizamiento de dislocación mostrados en (I) a (L). (C) Energía GSF modificada en el plano prismático calculada con DFT. (D) a (H) muestran la posición del oxígeno para los pasos seleccionados, a partir de octaédrico (D). (E) muestra el sitio octaédrico distorsionado en el máximo de energía. En los pasos (F) y (H), el oxígeno está en un sitio octaédrico formado en la falla de apilamiento. (G) muestra el sitio hexaédrico. (I) a (L) demuestran los pasos clave en el modelo ISM. En (yo), la primera dislocación (símbolo de cruz) en un plano prismático encuentra un oxígeno octaédrico y se resiste el deslizamiento. Eventualmente supera este obstáculo y baraja el oxígeno al sitio hexaédrico (J). La dislocación sigue resbalando, y las dislocaciones subsiguientes siguen detrás (K). Estas dislocaciones ven una barrera reducida del oxígeno hexaédrico y, por lo tanto, se deslizan fácilmente en este plano (L). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc4060
Chong y col. Luego investigó las morfologías de dislocación típicas de las aleaciones de Ti-O, ya sea en un modo dominante de deslizamiento ondulado o plano a través de deformaciones de tracción interrumpidas a diferentes temperaturas y velocidades de deformación. Combinaron esquemáticamente los análisis de temperatura, Dependencia de la tasa de deformación y del contenido de oxígeno de la morfología de la dislocación. Utilizando microscopía electrónica de transmisión (TEM), el equipo examinó las morfologías de dislocación representativas en relación con la tasa de deformación, concentración de oxígeno y temperatura de deformación. Observaron la susceptibilidad de que ocurra una transición de deslizamiento ondulado a plano (desplazamiento de una parte del plano cristalográfico del material con respecto a otro plano y dirección) cuando aumenta la tasa de deformación o la tasa de oxígeno. o con temperatura decreciente.
Aunque el deslizamiento plano se informó con frecuencia en las aleaciones de Ti-O a temperaturas criogénicas, el mecanismo subyacente sigue siendo desconocido. El orden de corto alcance (SRO) o la disposición regular y predecible de átomos en una distancia corta, para átomos de oxígeno, podría ser un mecanismo propuesto; sin embargo, los investigadores aún no han verificado experimentalmente el SRO del oxígeno en el sistema binario Ti-O con un contenido de oxígeno diluido. Por lo tanto, el equipo calculó las energías del límite antifásico difuso (DAPB) y confirmó que el deslizamiento plano es independiente de la temperatura y la deformación para las aleaciones basadas en aluminuro de titanio (Ti-Al). en marcado contraste con las aleaciones de Ti-O cuyo deslizamiento plano dependía de la temperatura y la deformación. Por lo tanto, los científicos dedujeron un origen diferente del deslizamiento plano en evolución en las aleaciones de Ti-O.
Mezcla intersticial en el sistema Ti-O y hermanamiento por deformación
Figura de polo inverso (IPF) + mapas de calidad de imagen (IQ) de aleaciones de Ti-O después de fractura por tracción a temperatura ambiente (RT) y temperatura criogénica (LN2), con una tasa de deformación de 10−3s − 1. (A) Ti puro, RT, y deformación por fractura:0,40. (B) Ti-0.10, RT, y deformación por fractura:0,28. (C) Ti-0.3O, RT, y deformación por fractura:0,16. (D) Ti puro, LN2, y deformación por fractura:0,60. (E) Ti-0.1O, LN2, y deformación por fractura:0,56. (F) Ti-0.3O, LN2, y deformación por fractura:0,04. La dirección de tracción es horizontal para todas las microestructuras. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc4060
Caracterización de la aleación Ti-0.3O después de la rotura por tracción a temperatura criogénica. (A) Microscopía óptica del área cercana a la superficie de la fractura, en el que se observaron varias microfisuras (como lo indican las flechas amarillas) a lo largo de los límites de los granos. (B) Mapa de límites de gemelos que muestra los tipos de gemelos cerca de la superficie de la fractura [según los colores que se muestran en (G)]. (C) y (D) son el mapa IPF y el mapa de límites de gemelos que muestran un ejemplo típico de microgrietas que se forman en los puntos donde se bloquearon {11-24} gemelos en los límites de grano. (E) El perfil del ángulo de desorientación, en el que se encontró un pico evidente a 77 °, confirmando el predominio de gemelos {11-24} en Ti-0.3O deformado a temperatura criogénica. (F) La imagen HRTEM (de un eje de zona de [-5143]) de un gemelo {11-24} extraído del área del rectángulo en (B) por el método de haz de iones enfocado (FIB). (G) Los colores utilizados en los paneles B y D. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc4060
Chong y col. realizaron cálculos de DFT (teoría funcional de la densidad) para proponer mecanismos de mezcla intersticial (ISM) para la dependencia de la temperatura y la velocidad de las transiciones de deslizamiento ondulado a plano en aleaciones de Ti-O. Basado en energías de falla de apilamiento generalizada (GSF) obtenidas mediante cálculos computacionales, el equipo proporcionó evidencia del efecto de ablandamiento del plano de deslizamiento asociado con el proceso de barajado en el material a temperaturas más bajas y mayores tasas de deformación. Los átomos de oxígeno que se desplazaron dentro del material durante el proceso de deformación permanecieron en sus posiciones, reduciendo la barrera para que se deslice más. El concepto de hermanamiento también puede dar lugar a excelentes propiedades mecánicas de las aleaciones de titanio observadas a temperaturas criogénicas donde las actividades de dislocación suelen resultar difíciles.
Los investigadores han informado hasta la fecha de cuatro modos de trenzado de deformación comunes en titanio, incluyendo dos gemelos de tensión (T1 y T2) y dos gemelos de compresión (C1 y C2). Chong y col. consideró una descripción general del comportamiento de hermanamiento en función del contenido de oxígeno y la temperatura. Con el aumento del contenido de oxígeno, las fracciones gemelas a temperatura ambiente se redujeron continuamente hasta el punto en que no pudieron detectarse gemelos apreciables en las aleaciones de Ti-0,30 a temperatura ambiente. La actividad de hermanamiento mejoró sustancialmente en titanio puro a temperaturas criogénicas. Atribuyeron la característica mejorada en titanio puro a un mayor nivel de estrés interno. Para comprender mejor el comportamiento anómalo de los gemelos, los científicos estudiaron las interacciones entre el oxígeno y los límites gemelos mediante simulaciones atómicas.
panorama
De este modo, Yan Chong y sus colegas consideraron la influencia sistemática del oxígeno en la morfología de la dislocación y la fracción de hermanamiento para presentar una visión mecanicista de la sensibilidad al oxígeno sobre las propiedades mecánicas del titanio. Atribuyeron el origen de la velocidad de deformación por temperatura y la sensibilidad al contenido de oxígeno de la planaridad de deslizamiento de la aleación de Ti-O al movimiento de los átomos de oxígeno en lugar del orden de átomos de corto alcance. El modelo de mecanismos de barajado intersticial (ISM) proporcionó una explicación a la temperatura observada y la sensibilidad a la deformación del deslizamiento plano en las aleaciones de Ti-O. Las estrategias de diseño de aleación simulada que interrumpieron el proceso de mezcla intersticial en este trabajo pueden aumentar notablemente la tolerancia intersticial de las aleaciones de titanio para ofrecer efectos de fortalecimiento sin un sacrificio de ductilidad que lo acompañe.
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