Uncovering the Intrinsic High Fracture Toughness of Titanium via Lowered Oxygen Impurity Content

材料科学 杂质 断裂韧性 韧性 晶体孪晶 可塑性 氧气 奥氏体 复合材料 冶金 位错 变形(气象学) 微观结构 有机化学 化学
作者
Xiaowei Zou,Wei‐Zhong Han,E. Ma
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (40): e2408286-e2408286 被引量:34
标识
DOI:10.1002/adma.202408286
摘要

Titanium (Ti) and its alloys are known to exhibit room-temperature fracture toughness below 130 MPa m1/2, only about one half of the best austenitic stainless steels. It is purported that this is not the best possible fracture resistance of Ti, but a result of oxygen impurities that sensitively retard the activities of plasticity carriers in this hexagonal close-packed metal. By a reduction of oxygen content from the 0.14 wt% in commercial purity Ti to 0.02 wt%, the mode-Ι fracture toughness of the low-oxygen Ti is measured to be as high as KJ Ic ≈ 255 MPa m1/2, corresponding to J-integral-based crack-initiation toughness of up to JIc ≈ 537 kJ m-2. This extraordinary toughness, reported here for the first time for pure Ti, places Ti among the toughest known materials. The intrinsic high fracture resistance is attributed to the profuse plastic deformation in a significantly enlarged plastic zone, rendered by the pronounced deformation twinning ahead of the crack tip along with ample twin-stimulated 〈c+a〉 dislocation activities, in the absence of impeding oxygen. Controlling the content of a property-controlling impurity thus holds the promise to be a readily applicable strategy to reach for unprecedented damage tolerance in some other structural alloys.
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