Oxygen-dislocation interaction-mediated nanotwinned nanomartensites in ultra-strong and ductile titanium alloys

材料科学 位错 钛 脆化 延展性(地球科学) 冶金 合金 间质缺损 钛合金 成核 复合材料 兴奋剂 蠕动 热力学 光电子学 物理
作者
Chongle Zhang,Xuanzhe Li,Suzhi Li,Jinyu Zhang,Jiao Li,Gang Liu,Jun Sun
出处
期刊:Materials Today [Elsevier BV]
卷期号:75: 85-96 被引量:51
标识
DOI:10.1016/j.mattod.2024.04.003
摘要

High specific-strength lightweight titanium (Ti) alloys, in the absence of interstitial strengthening of oxygen (O) atoms to avoid O-embrittlement, are mainly strengthened via densely semi-coherent nanoprecipitates in the β-matrix that act as dislocation obstacles and often result in high-stress concentrations, contributing to their strength-ductility trade-off. Here, using a low cost Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al duplex alloy as a model material, we present a counterintuitive O-doping strategy to create topologically coherent, interstitial-O α′ nanotwinned nanomartensites (NTNMs) with good interfacial strain compatibilities. The interstitial atoms tailor the stress field of edge dislocation cores from planar to non-planar, facilitating multiple variants nucleate simultaneously along O-rich edge dislocations to construct interstitial-O NTNMs. The interstitial-O NTNMs endow our duplex Ti alloys with superior strength of 1.64 gigapascals and large uniform elongation of 11.5%, surpassing all previously reported bulk Ti alloys. This unprecedented combination of mechanical properties is conferred mainly by the interstitial NTNMs, which serve as a sustainable ductility source via a self-hardening deformation mechanism and utilize the pronounced interstitial strengthening of concentrated O atoms. As such, the coherent interstitial NTNMs engineering strategy efficiently combines interstitial solid solution strengthening, and coherent interface strengthening mechanisms, that provides new insights into designing high-strength and large ductility O-tolerant alloys for cost-effective and lightweight applications.
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