Des chercheurs de l'Université Xi'an Jiaotong découvrent la résistance intrinsèque ultra-élevée du titane à la rupture

Le titane et ses alliages, connus pour leur légèreté, leur haute résistance et leur résistance à la corrosion, ont été largement utilisés dans les domaines de l'aérospatiale, de l'ingénierie maritime et du biomédical. Ces dernières années, avec l'avancement continu du concept de conception « tolérance aux dommages » dans le secteur industriel, la demande en matière de ténacité à la rupture du titane a également augmenté de manière significative. Cependant, malgré des décennies d'améliorations dans la conception et le traitement des alliages, la ténacité du titane et de ses alliages est restée inférieure à 130 MPa∙m1/2, bien inférieure à celle de certains aciers inoxydables austénitiques et des alliages cubiques à face centrée à moyenne/haute entropie ( avec une ténacité à la rupture supérieure à 200 MPa∙m1/2). Cette limitation a entravé l'application du titane et des alliages de titane dans des conditions de charge critiques.

L'amélioration de la ténacité des matériaux métalliques dépend principalement de leurs mécanismes de trempe internes, qui freinent la propagation des fissures en élargissant la zone de déformation plastique au fond de la fissure. En d’autres termes, plus la zone plastique est grande, plus la ténacité est élevée. Comparé aux métaux cubiques à faces centrées et aux métaux cubiques centrés sur le corps, le titane, avec sa structure hexagonale compacte, présente une symétrie de réseau inférieure, ce qui facilite l'activation du prisme.glisser pour accueillirdéformation directionnelle. Cependant, pour accueillir-déformation d'axe, déformation de jumelage ou activation de pyramidaleun glissement est nécessaire. Le jumelage par déformation est généralement unidirectionnel et ne peut s'adapter qu'à de petites déformations plastiques. Par conséquent, une quantité importante de pyramidele glissement doit être activé pour répondre au critère de von Mises, qui nécessite au moins cinq systèmes de glissement indépendants pour la coordination des déformations plastiques. Néanmoins, la contrainte de cisaillement critique résolue pour le système pyramidalle glissement est élevé et son composant de dislocation de bord est sujet à la décomposition, ce qui rend difficile la coordination de la déformation avec le composant de dislocation de vis et l'obtention d'une auto-prolifération substantielle. La rareté deLes mécanismes de déformation selon l'axe entraînent une capacité limitée à obtenir une déformation plastique uniforme à haute densité au fond de la fissure, limitant ainsi la ténacité à la rupture du titane et des alliages de titane.

Pour relever ce défi et libérer tout le potentiel de la ténacité du titane, des chercheurs de l'École de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université Xi'an Jiaotong, dirigés par le professeur Han Weizhong, ont mené une étude systématique sur la ténacité du titane pur. Ils ont découvert que les impuretés d’oxygène présentes dans le titane sont le principal facteur contribuant à sa ténacité insuffisante. Même des traces d'impuretés d'oxygène peuvent inhiber l'activité de déformation, de jumelage et de dislocation dans le titane, réduisant ainsi considérablement la capacité de déformation plastique uniforme au fond de la fissure. En réduisant la teneur en impuretés d'oxygène de {{0}},14 % en poids dans le titane pur commercial à 0,02 % en poids dans le titane à faible teneur en oxygène, l'équipe de recherche a obtenu une augmentation remarquable de la ténacité à la rupture de 117 MPa∙m1/ 2 à 255 MPa∙m1/2. Cette performance dépasse la ténacité à la rupture de tous les titanes purs et alliages de titane commerciaux, ainsi que celle de la plupart des matériaux métalliques, faisant du titane à faible teneur en oxygène l'un des matériaux métalliques les plus résistants connus à ce jour.

L'étude a non seulement révélé la très haute ténacité intrinsèque du titane, mais a également brisé la croyance conventionnelle selon laquelle la ténacité du titane est intrinsèquement limitée à moins de 130 MPa∙m1/2. La réduction significative de la teneur en oxygène a permis de surmonter le défi du lancement-modes de déformation axiale dans le titane hexagonal compacté à température ambiante. En outre, la recherche a découvert un nouveau mécanisme de durcissement progressif : la réduction de la teneur en oxygène a facilité l'activation massive de macles de déformation au fond de la fissure (Figure 3), qui ont servi de sources de dislocation efficaces, émettant un grand nombre deluxations (Figure 4). L'activation substantielle de ces deux modes de déformation, qui sont généralement difficiles à initier à température ambiante, a considérablement amélioré la capacité de déformation uniforme, la densité de déformation et la taille de la zone plastique au fond de la fissure du titane à faible teneur en oxygène, émoussant efficacement le fond de la fissure et présentant une ténacité à la rupture sans précédent.

Ce nouveau mécanisme de renforcement et la stratégie de réduction de la teneur en impuretés critiques offrent de nouvelles perspectives pour la conception d'alliages de titane à haute tolérance aux dommages. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la prestigieuse revue universitaire internationale « Advanced Materials » sous le titre « Uncovering the Intrinsic High Fracture Toughness of Titanium via Lowered Oxygen Impurity Content ». Le premier auteur de l'article est Zou Xiaowei, doctorant à l'Université Jiaotong de Xi'an, et les auteurs co-correspondants sont les professeurs Han Weizhong et Ma En. L'Université Xi'an Jiaotong est la seule institution correspondante pour ce travail, qui a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et le programme de soutien aux jeunes talents de premier ordre de l'Université Xi'an Jiaotong.