浙大最新研究：溫度對合金層錯能及變形機理的影響！

材料的機械效能與缺陷行為緊密相關，而合金元素作用及其對位錯運動的影響主要靠溫度調節來顯著提高力學效能。通常情況下，位錯攀移、位錯交叉滑移等位錯行為在高溫下更容易發生。而溫度降低，晶格摩擦力相應增大，致使臨界分辨剪應力增大，促進形變孿晶。由於材料特殊，往往在實際中經常在不同的溫度環境中使用，所以

透過理解溫度對合金變形機制的影響，不僅有助於我們瞭解不同溫度下的固溶強化機制，也為合金材料的實際應用指明瞭方向。

在眾多的合金應用中，由於鈦和鈦鋁合金具有高強度，高耐腐蝕性以及高強度重量位元性，通常被用作重要材料，例如飛機機身，航空發動機等等。與其他金屬或合金相比，鈦和鈦鋁合金需要低溫極端環境使用中具有的優異效能。因此研究鈦和鈦合金材料變形機制的影響，以及合金元素對缺陷行為隨溫度降低的影響備受廣泛關注。

近日，來自浙江大學和西安交通大學的一項研究透過運用位錯表徵，以及原位電子顯微鏡下的材料結構和效能同步表徵技術，研究了高純鈦和Ti-5at％Al中在室溫和液氮溫度下的應變過程，

分析了溫度對鈦和鈦鋁合金堆垛層錯能及變形機理

。相關論文以題為“Temperature Efect on Stacking Fault Energy and Deformation Mechanisms in Titanium and Titanium-aluminium Alloy”於2月20日發表在Scientific Reports。

論文連結：

https：//doi。org/10。1038/s41598-020-60013-6

在這項工作中，研究人員發現Al在Ti-5AT%Al刃型位錯核心處的偏聚產生了很強的阻礙作用，促進了室溫交叉滑移。然而，隨著溫度的降低，Al能夠顯著降低堆垛層錯能（SFE）。而在液氮溫度下，Ti-5AT%Al的堆垛層錯能較低，導致普通平面位錯滑移，而Ti則發生大量的位錯交叉滑移。

據廣泛報道，即使是少量的合金化原子也能對材料的力學效能產生重大影響。合金化對力學效能的影響不僅與溶質原子的型別有關，還要考慮合金原子的去向。為了進一步說明，本文研究了Ti-5at%Al合金基體中的原子在刃位錯核和螺位錯核處的分佈。透過觀察

發現Ti、Al原子在螺位錯核處分佈比較均勻，而Al原子在刃位錯核處有偏聚的趨勢。透過傾斜跟蹤螺位錯，

獲得了螺位錯核的原子解析度影象。

然而，在低溫下，人們普遍觀察到高純鈦中的螺位錯不僅只透過平面滑移方式滑移，而是

呈現“蛇形”滑移痕跡，這表明其滑移過程中經常發生交叉滑移，

這一現象與Ti-5at%Al室溫變形時偶然觀察到的現象相似。而在Ti-5at%Al中，沒有觀察到交叉滑移，螺位錯沿稜柱面滑移而形成平面滑移。另外Ti-5at%Al在低溫下，位錯運動不能保持平穩順暢，而是發生跳動，同時，堆垛層錯滑移現象很少發生。無論是高純鈦還是Ti-5at%Al，在液氮溫度下的位錯運動都明顯比室溫下的要難。在低溫下，高純Ti的位錯運動甚至比Ti-5AT%Al更難，這在以前被認為是完全不太可能的。

為了研究Al對α-Ti中位錯塑性的影響以及溫度對堆垛層錯能量的影響，研究者分別透過嵌入原子法和蒙特卡洛法研究了金屬的變形行為並進一步最佳化。研究顯示在稜柱形{1100}平面上形成堆疊缺陷，新增鋁可能會改變能量並在γ表面區域性存在，但不改變最小能量路徑和穩定堆垛的位置。而溫度對高純Ti中的堆垛層錯能量影響很小，但對Ti-Al系統有明顯的影響，即，堆垛層錯能隨著溫度的降低而大大降低，而Ti-5at％Al的SFE總是低於純Ti。

綜上所述，結合該項實驗和模擬結果，發現合金元素對鈦變形機制的影響與溫度高度相關，這主要是因為合金元素會導致層錯能發生變化。然而鋁的偏析會引起強烈的阻礙作用，從而在室溫下促進交滑移，

鋁減小層錯能的作用隨著溫度的降低愈發明顯

。由於合金的應用通常面臨各種環境，因此

這種溫度相關的合金效應值得特別關注

。與此同時，這也為鈦及鈦合金材料變形機制研究提供了理論基礎。（文：馮馮）

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