间隙氧诱导纯钛发生温度依赖的塑性反转

《Materials Science and Engineering: A》：Interstitial oxygen induces a temperature-dependent ductility reversal in pure titanium

　　

**摘要**

间隙氧被广泛认为是钛中一种有效的强化元素，但氧-温度相互作用如何调控变形机制和延性演化仍不明确。本文研究了两种晶粒尺寸和织构相近的粗晶Ti-O合金（氧含量分别为0.03和0.3 wt.%），测试温度范围为77–873 K。研究揭示了显著的延性逆转现象：Ti-0.03O在77 K下总延伸率（约68%）高于Ti-0.3O（约23%），而在873 K下趋势逆转，Ti-0.3O延伸率达约75%，而Ti-0.03O仅约25%。Ti-0.3O高温延性的提升主要归因于颈缩后变形能力的增强。在Ti-0.03O中，随着温度升高，孪晶活动减弱和动态回复加速，逐渐降低了加工硬化能力和延性。相比之下，在Ti-0.3O中，氧在低温下抑制了变形孪晶并促进了平面棱柱面滑移，而在高温下则激活了多滑移模式并维持了位错储存。进一步分析表明，高温延性的改善与氧调控的从螺型位错主导向非螺型位错构型的转变有关，这一转变促进了颈缩过程中位错网络的稳定和应变重新分布。这些发现表明，间隙氧可以作为温度依赖性的设计参数，用于在宽温度范围内调控钛合金的塑性。

**引言**

钛兼具低密度和高比强度、优异的耐腐蚀性以及出色的生物相容性，使其成为航空航天、能源、海洋和生物医学等领域重要的结构和功能材料[1]–[4]。然而，与传统钛合金相比，纯钛的强度相对较低，限制了其在承重结构中的应用。传统的取代式合金化虽然能显著提高强度，但添加多种合金元素会增加材料、加工和回收成本，并可能降低钛生产的可持续性[5]–[7]。因此，开发简单高效的合金化策略以在保持成分简单的同时提升力学性能日益重要。可控的间隙合金化提供了一种互补策略，因为少量轻元素的添加可以显著改变钛合金的力学行为，而无需引入复杂的合金化学体系[8]–[11]。

在钛中的间隙溶质中，氧对力学行为的影响最为显著。氧在Ti中的高固溶度使其在宽成分范围内能够实现显著且可控的固溶强化[12]。室温屈服强度通常随氧浓度每增加0.1 wt.%提高约50–100 MPa[13]–[15]。这种强化效应在低温下更为明显，适当的氧浓度可使Ti-O合金在低温下获得与传统低温钛合金相当的强延组合，如本文所证实的那样，凸显了其在低温应用中的潜力[16]。然而，氧强化通常伴随着延性的损失，导致氧被视为脆化间隙溶质的传统观点[13]。先前的研究表明，氧增加了位错运动阻力，抑制了变形孪晶，促进了平面滑移，从而产生显著的强延权衡[16]–[18]。这些观察结果确立氧为有效强化元素，但也使其成为钛合金高延性实现的一个潜在限制因素。然而，大多数现有研究集中在室温或低温变形上，氧诱导的强延权衡在宽温度范围内是否持续存在尚不清楚。

这一不确定性很重要，因为钛合金在航空航天、低温储存、能源和其他苛刻服役环境中可能经历从低温到数百摄氏度的温度范围[19]–[21]。在这一范围内，强度、加工硬化能力、延性和抗应变局部化能力共同决定了结构的可靠性。氧作为微观组织和力学设计变量的重要性在近期研究中得到了突出体现，其中氧被有意引入以开发具有优异强延组合的高性能钛合金[22]–[25]。这些进展表明，可控的氧合金化可以作为主动的材料设计策略，而不仅仅是作为杂质控制手段。然而，氧在宽温度范围内如何影响塑性变形仍不清楚。特别是，低温下观察到的氧诱导强延权衡在高温下是否持续存在仍未知。在本工作中，将富氧纯钛（CP-Ti）相对于贫氧纯钛在温度影响下延性相对关系的逆转称为"延性逆转"。

Kang等人报道，室温下增加氧浓度增强了加工硬化并适度提高了均匀延伸率但降低了总延伸率，表明氧改变了均匀变形和颈缩后变形之间的分配[26]。在更早的研究中，Garde等人表明间隙杂质强烈影响钛中的动态应变时效和拉伸延伸率分配[27]。在823 K下，间隙溶质富集的CP-Ti总延伸率超过高纯钛的两倍，额外延伸几乎完全来自颈缩后变形。尽管这种行为与杂质介导的应变率依赖流动有关，但氧、氮和碳各自的贡献未被分离，且异常大的颈缩应变发生在与动态应变时效（DSA）相关的加工硬化峰值之上。因此，氧和DSA对该行为的各自贡献仍不确定。此外，材料状态和测试条件的差异进一步使现有研究之间的直接比较变得复杂。为解决这些问题，需要使用具有可比初始微观组织的材料在广泛且系统控制的温度范围内进行系统研究。

这些矛盾观察无法仅用传统氧固溶强化来解释。温度和氧都影响变形孪晶与位错滑移之间的平衡，从而改变应变硬化和应变局部化的起始[28]–[31]。然而，仅滑移系统的变化可能无法解释含氧钛在高温下观察到的异常大的颈缩后应变。位错特征，特别是螺型和非螺型位错的相对贡献，可能提供另一个视角，因为不同的位错构型表现出不同的运动能力、回复行为以及与间隙氧的相互作用[32]、[33]。因此，阐明氧如何影响位错构型的温度依赖演化对于理解Ti-O合金异常延性演化至关重要。

为填补这些知识空白，制备了两种氧含量分别为0.03和0.3 wt.%的粗晶Ti-O模型合金，具有相近的晶粒尺寸和织构。在77至873 K范围内进行拉伸试验，并使用EBSD、TEM和X射线衍射线形分析检验相关变形结构。还使用动力学和基于弹性的计算来评估动态应变时效、位错能量学和氧-位错相互作用。本研究关注氧如何随温度改变滑移活动和位错特征，以及这些变化如何控制均匀变形和颈缩后变形。研究结果为通过间隙氧控制在宽温度范围内调控钛合金的塑性提供了机理基础。

**材料制备**

本研究使用了两级名义氧含量约为0.03和0.3 wt.%的商业纯钛（CP-Ti），分别标记为Ti-0.03O和Ti-0.3O。这些成分被选为代表性贫氧和富氧状态。据报道，约0.3 wt.%的氧含量可显著改变α-Ti的变形行为，而进一步添加氧可严重降低延性和塑性变形能力[16]。

**宽温度范围内的力学性能**

在不同氧浓度的粗晶CP-Ti试样上进行了77–873 K宽温度范围内的拉伸试验，所得工程应力-应变曲线见图1a和b。两种材料的强度随变形温度升高而逐渐降低，而塑性变形行为对氧浓度表现出强烈依赖性。在Ti-0.3O中，中温下观察到明显的屈服降。

**温度和氧对滑移模式的影响**

IGMA分析揭示了滑移活动随温度变化的清晰演化过程，Ti-0.03O和Ti-0.3O中的趋势明显不同。下面分别讨论各材料的演化，然后比较其内在变形机制。

对于Ti-0.03O，滑移活动的演化可分为三个阶段。在77 K时，IGMA分析表明多种滑移模式同时活动，这与广泛的变形孪晶密切相关。

**结论**

本研究通过对比贫氧Ti-0.03O与富氧Ti-0.3O，在77–873 K温度范围内系统研究了间隙氧对商业纯钛拉伸行为和变形机制的影响。结果表明，氧对钛延性的影响随温度发生根本性变化，从低温下的有害作用转变为高温下的有益作用。这些发现提供了一种——

**CRediT作者贡献声明**

Shuaizhuo Wang：监督、方法论、形式分析。Dongmei Zhang：验证、形式分析、数据整理。Jiajun Hu：原稿撰写、软件、概念构思。Yonghao Zhao：监督、资源、项目管理。Jiaqi Meng：软件、方法论。Bo Gao：资源、项目管理。Lirong Xiao：监督、项目管理。Hao Zhou：审阅与编辑、验证、资金获取。

**利益声明**

作者声明他们不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**数据可用性**

支持本研究结果的数据可向通讯作者合理索取。

**竞争利益声明**

? 作者声明他们不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本工作受国家重点研发计划（批准号：2021YFA1200203）、国家自然科学基金（批准号：52571139和52571157）、江苏省前沿科技基础研究重大项目（批准号：BK20222014）、江苏省自然科学基金（批准号：BK20241495）以及中央高校基本科研业务费（批准号：B250201292和30919011405）支持。

Jiajun Hu | Shuaizhuo Wang | Dongmei Zhang | Jiaqi Meng | Bo Gao | Lirong Xiao | Hao Zhou | Yonghao Zhao