低温钛合金低温下的显微结构和力学性能的多尺度及原位电镜表征

Low temperature materials has been broadly used in industry and marine. As one of these materials, titanium alloys attract more and more attention because it can preserve ductility even at low temperature. The mechanical properties and deformation mechanism at the temperature of liquid nitrogen (-196°C) determine the performance of low temperature titanium alloys. However, we are still short of understanding on the correlations between microstructure and mechanical properties of low temperature titanium alloys. This is because that 1) the revolution of microstructure is quite complex due to the coexistence of dislocations and deformation twinning in titanium alloys; 2) it is difficult to characterize the structure and properties at cryogenic temperature. This program aims to investigate the correlation between microstructure and mechanical properties of low temperature titanium alloys with special focus on the defects structure, defects behaviors and the real-time mechanical response at cryogenic temperature by multi-scale and in situ TEM study, accompanied by ultra-fast image capturing technique. We will pay special attention to the deformation twinning behaviors at low temperature, including the nucleation and growth of twins and the reaction between dislocations and twins. The results will provide direct experimental information for our understanding on the mechanical stability of titanium alloys at low temperature. This will also shed light on optimizing the method of alloying and material processing technology to prepare advanced low temperature alloys.

研发高性能的低温结构材料是能源工业发展的重要基础之一。由于低温下仍保持一定的塑性，钛合金被认为是一种很好的低温结构材料而受到广泛关注。钛合金在液氮温度下的力学性能和变形机理是决定其低温下服役性能的关键。然而，一方面因为钛合金中位错与孪晶变形的共存使得微结构演化较为复杂；另一方面低温下材料结构和性能的表征相对较难，特别是低温下微结构演化和力学性能的同步表征极富挑战，使得我们对低温下材料结构和性能的关联性还没有清晰的认识。本项目将通过多尺度及原位透射电镜表征，对低温钛合金在低温下的缺陷结构、行为和力学性能的实时响应做系统深入的研究。特别是结合超快图像捕捉技术，研究低温下钛合金中的孪晶变形行为，包括孪晶的形核和生长、位错与孪晶的反应等。研究结果将为我们更好的认识低温钛合金在服役温度下的力学稳定性提供直接的实验信息，也将为改良合金化方法和材料处理工艺以制备具有更好低温稳定性的先进合金提供重要指导。

低温材料开发及应用的核心挑战之一为材料在极端低温下的力学稳定性，包括材料的强度、塑性和韧性。然而，材料的力学性能往往随着温度的变化而发生变化。由于不同缺陷对于温度变化的响应明显不同，表现出不同的随温度变化的行为，包括缺陷运动本身，甚至影响材料的变形方式、本征变形机理和宏观力学性能。基于此，我们项目的研究内容如下：1）纯钛及钛合金在低温下变形启动的位错和孪晶的原子结构表征以及原子分辨率的化学成分分布表征。2）常温和低温下纯钛及钛合金变形行为的原位透射电镜表征及对比分析，特别是温度变化对于变形缺陷运动行为的影响。3）分子动力学模拟温度变化引起的层错能变化。.我们设计了结合原子结构和化学成分分布表征、室温下和低温下的对比性原位电镜力学测试的技术方案，对温度影响下的缺陷运动和力学性能的相应实现直接观察，并建立微观结构演化和材料低温力学性能的关联性。选取的研究材料包括高纯钛和Ti-5at.%Al，分别测试、对比了两种材料常温及低温下的力学性能测试，原位力学变形行为，变形缺陷的原子结构和化学成分分布。研究进展、重要结果及数据包括1）螺型及刃型位错核心处的原子结构及成分分布；2）纯Ti与Ti-5at.%Al合金在室温下的变形机制；3）纯Ti与Ti-5at.%Al合金在近液氮温度下的变形机制；4）温度对纯Ti及钛合金层错能及变形机制的作用。.本项目针对高纯钛和Ti-5at.%Al合金的对比分析，研究了铝元素随着温度变形对于位错行为的调控作用。揭示了Ti-5at.%Al中Al元素在刃型位错核心处的偏聚对位错产生了强烈的阻碍，由此促进了室温下位错的交滑移。然而，Al元素对于降低层错能的作用随着温度的降低变得显著。因此，低温下较低层错能的Ti-5at.%Al使其发生平面滑移而在纯Ti在液氮温度下发生了剧烈的交滑移。这种合金化效应的温度依赖性揭示了固溶强化温度依赖的机制，值得材料研究人员的注意。这一现象的揭示也给改良合金化方法和材料处理工艺以制备具有更好的低温力学稳定性的先进合金提供重要的指导信息。