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科研动态|申博体育平台科研人员破解体心立方金属铌氧脆之谜
2019-03-02 14:55:24

体心立方金属具有熔点高,强度高,耐辐射等优点,在工业上得到广泛应用。然而,体心立方金属对痕量的碳,氮和氧极其敏感。一旦在制备或使用过程中引入少量的碳,氮和氧,就会引起明显的硬化和脆化,但微观机理一直是个谜。以金属钌为例,它是一种典型的难熔金属,具有高熔点,良好的热强度,低密度(与其他难熔金属相比),良好的加工性能等,在高温环境中具有广泛的应用。前景广泛用作关键的热接收部件,例如用于空间运输设备的火焰喷嘴。然而,高温条件下的强氧吸收导致铌的硬化,脆化和氧化,这给铌合金的应用带来了巨大的挑战。多年来,各国研究人员已经采用多种方法试图阐明体心立方金属的氧脆机理,但进展缓慢。为了解决这个问题,申博体育网站微纳米材料科学与工程中心的研究人员有效地将宏观力学行为研究方法与微纳米级原位力学性能分析和原子尺度模拟系统地结合起来。研究溶质原子氧焓力学。变形行为对溶质原子氧对金属铋的缺陷团聚,螺旋位错运动和永久损伤成核过程的影响,揭示了溶质原子氧引起金属铋硬化和脆化的微观机制,构成金属。清晰的脆脆物理图像。

已经发现,只要引入原子比为1%的溶质原子氧,焓就会在拉伸变形中急剧增强,并且随着伸长率的损失发生准解理断裂,如(a)所示。 )。与纯钽的拉伸行为相比,可以发现溶质原子氧导致钽的显着硬化和脆化。观察拉伸断裂表明,氧化蒽的脆性断裂是由宏观变形过程中发生的变形局部化引起的。在宏观拉伸过程中,含氧铈的突然变形和局部变形使得难以从宏观的角度捕捉氧脆的微观机理。为了揭示溶质原子氧对钇变形行为的影响过程,我们进一步探索了原位微纳米级研究方法。在微纳米级拉伸过程中,含氧单晶钌样品具有较高的屈服强度和超高的加工硬化率(Θ> 10 GPa),然后发生剪切局部化和断裂,纯钌的变形行为非常好。不同,如图(b)所示。微纳米级拉伸实验表明,溶质原子氧在小型单晶钌样品中可引起大量位错,显着提高微纳米级铋的屈服强度和加工硬化能力,易引起变形局部化,导致纳米。尺度空洞成核最终演变成裂缝导致断裂。然而,溶质原子氧如何与痰中的位错相互作用?为什么这么高的加工硬化行为?溶质原子氧对裂纹成核有什么影响?微观过程需要进一步探索。然而,由于现有实验方法在时间和空间分辨率方面的局限性,上述混淆很难从实验研究中获得明确的答案。

为了进一步阐明焓氧脆化机理,我们结合密度泛函理论计算和分子动力学模拟,特别开发了一种新的氧原子势函数,系统研究了溶质原子氧在钇变形过程中的微观机理。计算表明,溶质原子氧在钌和螺旋位错之间是相互排斥的。因此,溶质原子氧不能直接固定螺旋位错并引起焓强化和脆化。这表明常规溶质原子通过直接钉扎位错强化金属的机理在坩埚的氧脆化变形中失败。在密堆积的六方金属中也报道了类似的溶质原子和位错之间的排斥。那么溶质原子氧如何影响位错的运动呢?进一步的计算表明,溶质原子氧空位(如图(c)所示)它们之间具有较高的结合能(-0.8eV),而溶质原子氧和空位(VO复合物)和spiro位点有较强的结合力能量(-1.0eV)之间的误差,即氧空位组合是蝎子中螺旋位错的强钉扎体,它可以阻碍螺旋位错运动并引起显着的强化。然而,如果含氧铈在变形时产生大量空位,则形成大量氧空位组合。虽然研究表明,体心立方金属螺旋位错会产生大量的点缺陷,包括空位,但在运动过程中形成交叉扭结,交叉扭转的形成通常需要极高的剪切应力或应变。在现有的实验条件下难以实现这一速度。基于新型氦 - 氧原子势函数的分子动力学模拟发现,由于氧和螺旋位错之间的自发排斥,线性螺旋位错通常在锗晶格中自发地形成具有不同取向的交叉扭曲。在施加剪切应力的情况下,螺旋位错将驱动交叉捏合在一起以在运动中产生大量点缺陷,并且所产生的部分空位将快速与溶质原子氧结合以形成氧空位组合从而增加了位置。防滑性差,导致强化和加工硬化。研究发现,启动机制所需的剪切应力不高,可以在现有的实验条件下成功实现。 在随后的变形中,由螺旋位错产生的各种点缺陷簇在变形中具有不同的稳定性,并且间隙自由基和空位可以在与位错的相互作用期间重新结合或者通过位错被解剖到晶界。或者,表面和氧空位复合物一旦形成,就非常稳定,可以显着提高螺旋位错运动的阻力,并且可以进一步吸收新产生的空位,形成氧多空位组合。随后,氧 - 多空位复合物进一步生长并逐渐演变成纳米级空隙,形成永久性损伤,如图(d)所示。大量氧气多空位的生长,聚结和连通性促进了内部裂缝的萌生和扩展,最终导致了氧鎓的灾难性断裂失效。通过实验观察并确认了由氧空位组合和来自氧 - 多空位复合物成核的纳米空隙引起的超高加工硬化现象。

基于上述研究,体心立方金属钌中溶质原子氧的硬化和脆化机制具有清晰的物理图像。进一步的研究发现,在IV族体心立方金属中,氧和螺旋位错之间存在排斥作用。因此,新发现的氧脆化微观机理澄清了其他体心立方难熔金属的变形和辐照。硬化和脆化行为也具有重要的参考价值。

该论文发表在金属材料权威杂志Acta Materialia上,论文链接为https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645419301168?dccid=author。这项工作由国家重点研究发展计划(No. 2017YFB0702301),国家自然科学基金(No. 51471128和51621063)和国家外事局111计划共同资助。特别感谢申博体育网站贾春林教授,米少波教授和卢玲工程师在溶质原子氧表征方面的有益讨论和真诚帮助。

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