Comportements mécaniques du Ti pur, Ti-0.1O, et les alliages Ti-0,3O à température ambiante (RT) (~300 K) et à température cryogénique (~100 K). (A) Courbes de contrainte-déformation d'ingénierie représentatives des trois alliages avec une vitesse de déformation de 10-3 s-1. (B) Courbes de contrainte vraie-déformation vraie correspondantes (lignes pleines) et courbes de vitesse d'écrouissage (symboles) des trois alliages. (C) Tomographie de fracture de Ti pur à température ambiante. (D) Tomographie de fracture de Ti pur à température cryogénique. (E) Tomographie de fracture de Ti-0,3O à température cryogénique. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Le titane est extrêmement sensible aux faibles quantités d'oxygène, ce qui peut conduire à une ductilité nettement diminuée du matériau. Les scientifiques des matériaux visent donc à réduire les coûts de purification du titane, tout en évitant les effets d'empoisonnement de l'oxygène. Dans un nouveau rapport maintenant sur Avancées scientifiques , Yan Chong, et une équipe de scientifiques en science et ingénierie des matériaux à l'Université de Californie à Berkeley et au Lawrence Berkeley National Laboratory aux États-Unis, a détaillé une étude systématique sur la sensibilité à l'oxygène du titane. L'équipe a fourni une vision mécaniste claire des effets des impuretés d'oxygène sur les propriétés mécaniques du matériau. Les travaux expérimentaux et informatiques ont fourni des informations sur la justification de la conception d'alliages de titane avec une tolérance accrue aux variations du contenu interstitiel (une position entre les positions régulières d'un réseau d'atomes dans un matériau), avec des implications notables pour faciliter l'utilisation généralisée des alliages de titane dans les engins spatiaux, navires de guerre, aéronautique et génie des matériaux.
Alliages de titane
Les alliages de titane contiennent des propriétés hautement souhaitables, notamment une résistance à la corrosion et une résistance spécifique élevée, ce qui en fait des matériaux structurels attrayants dans une large gamme d'applications commerciales. Les atomes interstitiels peuvent être intentionnellement ou naturellement incorporés pour influencer les propriétés mécaniques du titane. L'oxygène est une impureté interstitielle prédominante, largement adopté dans les alliages à base de titane pour permettre un puissant effet de renforcement pour diverses applications. Le titane est également intrinsèquement coûteux en raison du contrôle strict des impuretés interstitielles lors de leur fabrication. Bien que les chercheurs aient documenté les effets de fragilisation des impuretés interstitielles dans les alliages d'alpha-titane, l'origine mécanistique de la sensibilité anormale à l'oxygène sur les propriétés mécaniques reste à comprendre, limitant ainsi les stratégies de conception et de traitement des alliages. Les scientifiques des matériaux avaient documenté une transition "onduleuse à planaire" des dispositions de dislocation avec une teneur en oxygène croissante dans le métal. Dans le travail present, Chong et al. ont mené une étude systématique à plusieurs échelles des propriétés mécaniques et des microstructures de déformation du titane.
Comparaison des morphologies typiques des dislocations (glissement ondulé ou planaire dominant) dans les alliages Ti-O après déformations en traction interrompues à différentes températures (500, 300, et 100 K) et les vitesses de déformation (10−5s−1, 10−3s−1, 10−1s−1, et 2 s-1). La déformation en traction était de 4,0% pour toutes les microstructures. (A) Diagramme 3D démontrant l'analyse combinée de la température, vitesse de déformation, et les dépendances de la teneur en oxygène des morphologies des dislocations dans les alliages Ti-O. Une tendance générale de transition de glissement ondulé-planaire s'est produite avec l'augmentation de la vitesse de déformation, c'est à dire., de (C) (Ti pur, 10−1 s−1, LN2) à (B) (Ti pur, 2 s-1, LN2), ou l'augmentation de la teneur en oxygène, c'est à dire., de (D) (Ti-0,1O, 10−5 s−1, LN2) à (E) (Ti-0,3O, 10−5 s−1, LN2), ou température décroissante, c'est à dire., de (F) (Ti-0,3O, 10−3 s−1, RT) à (G) (Ti-0,3O, 10−3 s−1, LN2). La frontière de transition délimitant les régions à dominance de glissement ondulé et à dominance de glissement planaire s'est progressivement déplacée vers une température plus élevée et une direction de vitesse de déformation plus faible avec l'augmentation de la teneur en oxygène. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc4060 
L'équipe visait à révéler la nature de la polarité de glissement associée à une teneur en oxygène plus élevée par rapport à la concentration interstitielle, vitesse de déformation et températures de déformation. Ils ont attribué la sensibilité marquée à l'oxygène du titane aux transitions du comportement de dislocation et à l'activité de maclage du métal. Les scientifiques ont discuté de l'origine atomique des transitions par rapport à la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et aux simulations de dynamique moléculaire (MD) afin de fournir des informations plus approfondies pour concevoir des alliages de titane tolérant les interstitiels. Chong et al. testé trois alliages modèles dont le titane pur (avec 0,05 % en poids ou % en poids), Ti-0,10 (à 0,10 % en poids - % en poids) et Ti-0,30 (à 0,30 % en poids) à haute température, température ambiante et températures cryogéniques à l'aide d'essais de traction uniaxiale. Une légère variation de la teneur en oxygène a provoqué des changements marqués dans les propriétés mécaniques des alliages Ti-O à température ambiante et températures cryogéniques. Les défaillances observées des alliages Ti-0,30 à basse température ont mis en évidence ses limites pour les applications dans des conditions cryogéniques. Le potentiel d'écrouissage des alliages Ti-O diminue avec l'augmentation de la teneur en oxygène. Le Ti pur et le Ti-0.10 ont présenté des taux d'écrouissage excellents et presque identiques à température cryogénique.
Activité de luxation
Illustration schématique de l'ISM de l'adoucissement du plan de glissement. (A) Réseau HCP avec des sites octaédriques (blanc) et hexaédriques (bleu), et prismatique, pyramidal, et plans basaux (rouge, bleu, et vert). (B) Orientation pour les étapes de glissement de luxation indiquées dans (I) à (L). (C) Énergie GSF modifiée sur le plan prismatique calculée avec DFT. (D) à (H) montrent la position de l'oxygène pour les étapes sélectionnées, à partir de l'octaèdre (D). (E) montre le site octaédrique déformé au maximum en énergie. Aux étapes (F) et (H), l'oxygène se trouve dans un site octaédrique formé au niveau de la faille d'empilement. (G) montre le site hexaédrique. (I) à (L) illustrent les étapes clés du modèle ISM. En (je), la première dislocation (symbole en croix) sur un plan prismatique rencontre un oxygène octaédrique et le glissement est résisté. Il surmonte finalement cet obstacle et brasse l'oxygène vers le site hexaédrique (J). La luxation continue de glisser, et les luxations suivantes suivent derrière (K). Ces dislocations voient une barrière réduite à l'oxygène hexaédrique et glissent donc facilement sur ce plan (L). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Chong et al. ont ensuite étudié les morphologies typiques des dislocations des alliages Ti-O, que ce soit en mode onduleux ou planaire à dominance de glissement à travers des déformations de traction interrompues à différentes températures et vitesses de déformation. Ils ont schématiquement combiné les analyses de température, la vitesse de déformation et la teneur en oxygène dépendent de la morphologie de la dislocation. À l'aide de la microscopie électronique à transmission (MET), l'équipe a examiné les morphologies représentatives des dislocations par rapport à la vitesse de déformation, concentration en oxygène et température de déformation. Ils ont noté la possibilité qu'une transition de glissement ondulé-plan (déplacement d'une partie du plan cristallographique du matériau par rapport à un autre plan et direction) se produise lorsque la vitesse de déformation ou le taux d'oxygène augmente, ou avec une température décroissante.
Bien que le glissement planaire ait été fréquemment rapporté dans les alliages Ti-O à des températures cryogéniques, le mécanisme sous-jacent reste inconnu. L'ordre à courte distance (SRO) ou l'arrangement régulier et prévisible des atomes sur une courte distance, pour les atomes d'oxygène, pourrait être un mécanisme proposé; cependant, les chercheurs n'ont pas encore vérifié expérimentalement le SRO de l'oxygène dans le système binaire Ti-O avec une teneur en oxygène diluée. L'équipe a donc calculé les énergies de la limite d'antiphase diffuse (DAPB) et a confirmé que le glissement planaire était indépendant de la température et de la déformation pour les alliages à base d'aluminure de titane (Ti-Al), contrairement aux alliages Ti-O dont le glissement planaire dépend de la température et de la déformation. Les scientifiques ont donc déduit une origine différente de l'évolution du glissement planaire dans les alliages Ti-O.
Remaniement interstitiel dans le système Ti-O et jumelage de déformations
Cartes de figure de pôle inverse (IPF) + qualité d'image (IQ) des alliages Ti-O après rupture en traction à température ambiante (RT) et température cryogénique (LN2), avec une vitesse de déformation de 10−3s−1. (A) Ti pur, RT, et déformation à la rupture :0,40. (B) Ti-0.10, RT, et déformation à la rupture :0,28. (C) Ti-0,3O, RT, et déformation à la rupture :0,16. (D) Ti pur, LN2, et déformation à la rupture :0,60. (E) Ti-0,1O, LN2, et déformation à la rupture :0,56. (F) Ti-0,3O, LN2, et déformation à la rupture :0,04. La direction de traction est horizontale pour toutes les microstructures. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Caractérisation de l'alliage Ti-0,3O après rupture en traction à température cryogénique. (A) Microscopie optique de la zone proche de la surface de fracture, dans lequel plusieurs microfissures (comme indiqué par les flèches jaunes) ont été observées le long des joints de grains. (B) Carte des limites des jumeaux montrant les types de jumeaux près de la surface de fracture [selon les couleurs indiquées en (G)]. (C) et (D) sont la carte IPF et la carte des limites des doubles montrant un exemple typique de microfissures se formant aux points où {11-24} les doubles ont été bloqués aux limites des grains. (E) Le profil d'angle de désorientation, dans lequel un pic évident a été trouvé à 77°, confirmant la prédominance des jumeaux {11-24} en Ti-0,3O déformé à température cryogénique. (F) L'image HRTEM (à partir d'un axe de zone de [-5143]) d'un jumeau {11-24} soulevé de la zone rectangulaire en (B) par la méthode du faisceau d'ions focalisé (FIB). (G) Les couleurs utilisées dans les panneaux B et D. Crédit :Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc4060
Chong et al. a effectué des calculs DFT (théorie fonctionnelle de la densité) pour proposer des mécanismes de réarrangement interstitiel (ISM) pour la dépendance à la température et à la vitesse des transitions de glissement ondulé-plan dans les alliages Ti-O. Basé sur les énergies de défaut d'empilement généralisé (GSF) obtenues via des calculs informatiques, l'équipe a fourni des preuves de l'effet de ramollissement du plan de glissement associé au processus de brassage dans le matériau à des températures plus basses et à des vitesses de déformation plus élevées. Les atomes d'oxygène qui se sont déplacés dans le matériau pendant le processus de déformation sont restés dans leurs positions, réduisant la barrière pour un nouveau glissement. Le concept de jumelage peut également donner lieu à d'excellentes propriétés mécaniques des alliages de titane observées à des températures cryogéniques où les activités de dislocation deviennent généralement difficiles.
Les chercheurs ont à ce jour signalé quatre modes de vrillage de déformation courants dans le titane, comprenant deux jumeaux de tensions (T1 et T2) et deux jumeaux de compression (C1 et C2). Chong et al. a considéré un aperçu du comportement de jumelage en fonction de la teneur en oxygène et de la température. Avec l'augmentation de la teneur en oxygène, les fractions macles à température ambiante ont été réduites en continu jusqu'au point où aucun macle appréciable n'a pu être détecté dans les alliages Ti-0,30 à température ambiante. L'activité de jumelage s'est considérablement améliorée dans le titane pur à des températures cryogéniques. Ils ont attribué la fonctionnalité améliorée en titane pur à un niveau de contrainte interne plus important. Pour mieux comprendre le comportement anormal des jumeaux, les scientifiques ont étudié les interactions entre l'oxygène et les frontières jumelles à l'aide de simulations atomiques.
Perspectives
De cette façon, Yan Chong et ses collègues ont examiné l'influence systématique de l'oxygène sur la morphologie de la dislocation et la fraction de maclage pour présenter une vision mécaniste de la sensibilité à l'oxygène sur les propriétés mécaniques du titane. Ils ont attribué l'origine de la vitesse de déformation thermique et de la sensibilité à la teneur en oxygène de la planéité de glissement de l'alliage Ti-O au mouvement des atomes d'oxygène au lieu de l'ordre à courte distance des atomes. Le modèle des mécanismes de brassage interstitiel (ISM) a fourni une explication de la sensibilité à la température et à la déformation observée du glissement plan dans les alliages Ti-O. Les stratégies de conception d'alliages simulés qui ont interrompu le processus de brassage interstitiel dans ce travail peuvent considérablement augmenter la tolérance interstitielle des alliages de titane pour offrir des effets de renforcement sans sacrifier la ductilité.
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