Forscher der Xi'an Jiaotong Universität entdecken die extrem hohe intrinsische Bruchzähigkeit von Titan

Titan und Titanlegierungen, die für ihr geringes Gewicht, ihre hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt sind, werden in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffsbau und in der Biomedizin häufig eingesetzt. In den letzten Jahren ist mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung des Designkonzepts „Schadenstoleranz“ im Industriesektor auch die Nachfrage nach der Bruchzähigkeit von Titan deutlich gestiegen. Trotz jahrzehntelanger Legierungsdesign- und Verarbeitungsverbesserungen ist die Bruchzähigkeit von Titan und Titanlegierungen jedoch unter 130 MPa∙m1/2 geblieben und damit weitaus niedriger als die einiger austenitischer Edelstähle und kubisch-flächenzentrierter Legierungen mittlerer/hoher Entropie ( mit Bruchzähigkeit über 200 MPa∙m1/2). Diese Einschränkung hat die Anwendung von Titan und Titanlegierungen unter kritischen Belastungsbedingungen behindert.

Die Verbesserung der Bruchzähigkeit metallischer Werkstoffe hängt in erster Linie von deren inneren Zähigkeitsmechanismen ab, die die Rissausbreitung verhindern, indem sie die plastische Verformungszone an der Rissspitze vergrößern. Mit anderen Worten: Je größer die plastische Zone, desto höher ist die Bruchzähigkeit. Im Vergleich zu kubisch-flächenzentrierten und kubisch-raumzentrierten Metallen weist Titan mit seiner hexagonal dicht gepackten Struktur eine geringere Gittersymmetrie auf, was die Aktivierung von Prismen erleichtertSlip zur UnterbringungRichtungsverformung. Allerdings um unterzubringen-Achsenverformung, Verformungszwillinge oder die Aktivierung von PyramidenSchlupf ist notwendig. Verformungszwillinge sind typischerweise unidirektional und können nur kleine plastische Dehnungen aufnehmen. Folglich eine erhebliche Menge an PyramidenformDer Schlupf muss aktiviert sein, um das von Mises-Kriterium zu erfüllen, das mindestens fünf unabhängige Schlupfsysteme für die plastische Verformungskoordination erfordert. Dennoch ist die kritische Schubspannung für Pyramiden gelöstDer Schlupf ist hoch und seine Kantenversetzungskomponente neigt zur Zersetzung, was es schwierig macht, die Verformung mit der Schraubenversetzungskomponente zu koordinieren und eine wesentliche Selbstvermehrung zu erreichen. Die Knappheit von-Achsen-Verformungsmechanismen führen zu einer begrenzten Fähigkeit, eine gleichmäßige plastische Verformung mit hoher Dichte an der Rissspitze zu erreichen, wodurch die Bruchzähigkeit von Titan und Titanlegierungen begrenzt wird.

Um dieser Herausforderung zu begegnen und das volle Potenzial der Bruchzähigkeit von Titan auszuschöpfen, führten Forscher der School of Materials Science and Engineering der Xi'an Jiaotong University unter der Leitung von Professor Han Weizhong eine systematische Studie zur Bruchzähigkeit von reinem Titan durch. Sie fanden heraus, dass Sauerstoffverunreinigungen im Titan der Hauptfaktor für seine unzureichende Bruchzähigkeit sind. Selbst Spuren von Sauerstoffverunreinigungen können die Verformungszwillings- und Versetzungsaktivität in Titan hemmen und so die Fähigkeit zur gleichmäßigen plastischen Verformung an der Rissspitze erheblich verringern. Durch die Reduzierung des Sauerstoffverunreinigungsgehalts von {{0}},14 Gew.-% in handelsüblichem Reintitan auf 0,02 Gew.-% in sauerstoffarmem Titan erreichte das Forschungsteam eine bemerkenswerte Steigerung der Bruchzähigkeit von 117 MPa∙m1/ 2 bis 255 MPa∙m1/2. Diese Leistung übertrifft die Bruchzähigkeit aller gemeldeten kommerziellen Reintitan- und Titanlegierungen sowie der meisten metallischen Werkstoffe und macht sauerstoffarmes Titan zu einem der härtesten bisher bekannten metallischen Werkstoffe.

Die Studie zeigte nicht nur die extrem hohe intrinsische Bruchzähigkeit von Titan, sondern widerlegte auch die herkömmliche Annahme, dass die Bruchzähigkeit von Titan von Natur aus auf unter 130 MPa∙m1/2 begrenzt ist. Die signifikante Reduzierung des Sauerstoffgehalts überwand die Herausforderung der Initiierung-Achsen-Verformungsmodi in hexagonal dicht gepacktem Titan bei Raumtemperatur. Darüber hinaus deckte die Forschung einen neuartigen progressiven Verfestigungsmechanismus auf: Die Verringerung des Sauerstoffgehalts ermöglichte die massive Aktivierung von Verformungszwillingen an der Rissspitze (Abbildung 3), die als effiziente Versetzungsquellen dienten und eine große Anzahl von Versetzungen ausstießenVersetzungen (Abbildung 4). Die wesentliche Aktivierung dieser beiden Verformungsmodi, die bei Raumtemperatur typischerweise schwer zu initiieren sind, verbesserte die gleichmäßige Verformungsfähigkeit, Verformungsdichte und plastische Zonengröße an der Rissspitze von Titan mit niedrigem Sauerstoffgehalt erheblich, wodurch die Rissspitze effektiv abgestumpft und sichtbar wurde beispiellose Bruchzähigkeit.

Dieser neuartige Verfestigungsmechanismus und die Strategie zur Reduzierung des Gehalts an kritischen Verunreinigungen liefern neue Erkenntnisse für die Entwicklung von Titanlegierungen mit hoher Schadenstoleranz. Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten internationalen Fachzeitschrift „Advanced Materials“ unter dem Titel „Uncovering the Intrinsic High Fracture Toughness of Titanium via Lowered Oxygen Impurity Content“ veröffentlicht. Der erste Autor des Papiers ist der Doktorand Zou Xiaowei von der Universität Xi'an Jiaotong, und die Mitautoren sind die Professoren Han Weizhong und Ma En. Die Xi'an Jiaotong University ist die einzige entsprechende Institution für diese Arbeit, die von der National Natural Science Foundation of China und dem Young Top-Notch Talent Support Program der Xi'an Jiaotong University unterstützt wurde.