p O titânio é extremamente sensível a pequenas quantidades de oxigênio, o que pode levar a uma ductilidade acentuada do material. Os cientistas de materiais, portanto, pretendem reduzir os custos de purificação de titânio, enquanto evita os efeitos do envenenamento do oxigênio. Em um novo relatório agora em Avanços da Ciência , Yan Chong, e uma equipe de cientistas em ciência de materiais e engenharia da University of California Berkeley e do Lawrence Berkeley National Laboratory nos EUA, detalhado um estudo sistemático sobre a sensibilidade do titânio ao oxigênio. A equipe forneceu uma visão mecanicista clara dos efeitos das impurezas de oxigênio nas propriedades mecânicas do material. O trabalho experimental e computacional forneceu insights para uma justificativa para projetar ligas de titânio com maior tolerância às variações no conteúdo intersticial (uma posição entre as posições regulares em uma matriz de átomos em um material), com implicações notáveis ​​para facilitar o uso generalizado de ligas de titânio em naves espaciais, navios de guerra, engenharia de aeronaves e materiais. p Ligas de titânio

p As ligas de titânio contêm propriedades altamente desejáveis, incluindo resistência à corrosão e alta resistência específica, tornando-as materiais estruturais atraentes em uma ampla gama de aplicações comerciais. Os átomos intersticiais podem ser intencionalmente ou naturalmente incorporados para influenciar as propriedades mecânicas do titânio. O oxigênio é uma impureza intersticial predominante, amplamente adotado em ligas à base de titânio para permitir um potente efeito de fortalecimento para diversas aplicações. O titânio também é inerentemente caro devido ao controle rígido das impurezas intersticiais durante sua fabricação. Embora os pesquisadores tenham documentado os efeitos de fragilização de impurezas intersticiais em ligas de alfa-titânio, a origem mecanística da sensibilidade anômala ao oxigênio nas propriedades mecânicas ainda precisa ser entendida, limitando assim o design da liga e as estratégias de processamento. Os cientistas de materiais documentaram uma transição "ondulada para plana" dos arranjos de deslocamento com o aumento do conteúdo de oxigênio no metal. No presente trabalho, Chong et al. conduziu uma investigação multiescala sistemática das propriedades mecânicas e microestruturas de deformação do titânio.

p A influência do oxigênio nas propriedades mecânicas das ligas de titânio

p A equipe teve como objetivo revelar a natureza da polaridade de deslizamento associada ao maior conteúdo de oxigênio em relação à concentração intersticial, taxa de deformação e temperaturas de deformação. Eles creditaram a acentuada sensibilidade ao oxigênio no titânio às transições no comportamento de deslocamento e na atividade de geminação do metal. Os cientistas discutiram a origem atômica das transições relativas à teoria do funcional de densidade (DFT) e simulações de dinâmica molecular (MD) para fornecer uma visão mais profunda para projetar ligas de titânio tolerantes a intersticiais. Chong et al. testou três ligas de modelo, incluindo titânio puro (com porcentagem em peso de 0,05 ou% em peso), Ti-0.10 (com 0,10 porcentagem em peso -% em peso) e Ti-0,30 (com 0,30% em peso) em alta temperatura, temperatura ambiente e temperaturas criogênicas usando testes de tração uniaxial. Uma ligeira variação do teor de oxigênio causou mudanças marcantes nas propriedades mecânicas das ligas de Ti-O em temperatura ambiente e criogênica. As falhas observadas de ligas Ti-0.30 em baixas temperaturas destacaram suas limitações para aplicações em condições criogênicas. O potencial de endurecimento por deformação das ligas de Ti-O diminuiu com o aumento do teor de oxigênio. O Ti puro e o Ti-0.10 exibiram taxas de endurecimento por deformação excelentes e quase idênticas em temperatura criogênica.

p Atividade de deslocamento

p Chong et al. em seguida, investigou as morfologias de deslocamento típicas de ligas de Ti-O em um modo ondulado ou planar dominante por deslizamento através de deformações de tração interrompidas em diferentes temperaturas e taxas de deformação. Eles combinaram esquematicamente as análises de temperatura, taxa de deformação e dependência do conteúdo de oxigênio da morfologia de deslocamento. Usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM), a equipe examinou as morfologias de deslocamento representativas em relação à taxa de deformação, concentração de oxigênio e temperatura de deformação. Eles observaram a suscetibilidade de uma transição de deslizamento ondulado para planar (deslocamento de uma parte do plano cristalográfico do material em relação a outro plano e direção) ocorrer quando a taxa de deformação ou a taxa de oxigênio aumentam, ou com temperatura decrescente.

p Embora o deslizamento planar tenha sido frequentemente relatado em ligas de Ti-O em temperaturas criogênicas, o mecanismo subjacente permanece desconhecido. A ordenação de curto alcance (SRO) ou o arranjo regular e previsível de átomos em uma distância curta, para átomos de oxigênio, poderia ser um mecanismo proposto; Contudo, os pesquisadores ainda não verificaram experimentalmente o SRO do oxigênio no sistema binário Ti-O com um conteúdo de oxigênio diluído. A equipe, portanto, calculou as energias do limite antifásico difuso (DAPB) e confirmou que o escorregamento planar é independente da temperatura e da deformação para ligas à base de titânio-alumineto (Ti-Al), em contraste marcante com ligas de Ti-O cujo deslizamento planar dependia da temperatura e da deformação. Os cientistas, portanto, deduziram uma origem diferente para o deslizamento planar em evolução nas ligas de Ti-O.

p Embaralhamento intersticial no sistema Ti-O e geminação de deformação

• 
• 

p Chong et al. realizou cálculos DFT (teoria funcional da densidade) para propor mecanismos de embaralhamento intersticial (ISM) para a dependência da temperatura e da taxa de transições de deslizamento ondulado-planar em ligas de Ti-O. Com base em energias de falha de empilhamento generalizado (GSF) obtidas por meio de cálculos computacionais, a equipe forneceu evidências para o efeito de amolecimento do plano de deslizamento associado ao processo de embaralhamento no material em temperaturas mais baixas e taxas de deformação maiores. Os átomos de oxigênio que se deslocaram dentro do material durante o processo de deformação permaneceram em suas posições, reduzindo a barreira para deslizamento adicional. O conceito de geminação também pode dar origem a excelentes propriedades mecânicas de ligas de titânio observadas em temperaturas criogênicas, onde as atividades de deslocamento normalmente se tornam difíceis.

p Os pesquisadores relataram até o momento quatro modos comuns de entrelaçamento de deformação em titânio, incluindo dois gêmeos de tensão (T1 e T2) e dois gêmeos de compressão (C1 e C2). Chong et al. considerou uma visão geral do comportamento de geminação em função do teor de oxigênio e da temperatura. Com o aumento do conteúdo de oxigênio, as frações gêmeas à temperatura ambiente foram continuamente reduzidas ao ponto em que nenhum gêmeo apreciável pudesse ser detectado nas ligas Ti-0,30 à temperatura ambiente. A atividade de geminação aumentou substancialmente em titânio puro em temperaturas criogênicas. Eles creditaram o recurso aprimorado em titânio puro a um nível de estresse interno maior. Para entender melhor o comportamento anômalo de gêmeos, os cientistas estudaram as interações entre o oxigênio e as fronteiras gêmeas usando simulações atômicas.

p Panorama

p Desta maneira, Yan Chong e colegas consideraram a influência sistemática do oxigênio na morfologia do deslocamento e na fração de gêmeos para apresentar uma visão mecanicista da sensibilidade ao oxigênio nas propriedades mecânicas do titânio. Eles creditaram a origem da taxa de deformação da temperatura e da sensibilidade ao conteúdo de oxigênio da planaridade de deslizamento da liga de Ti-O ao movimento dos átomos de oxigênio, em vez da ordenação de curto alcance dos átomos. O modelo de mecanismos de embaralhamento intersticial (ISM) forneceu uma explicação para a temperatura observada e a sensibilidade à deformação do escorregamento planar em ligas de Ti-O. As estratégias de design de ligas simuladas que interromperam o processo de embaralhamento intersticial neste trabalho podem aumentar notavelmente a tolerância intersticial de ligas de titânio para oferecer efeitos de fortalecimento sem um sacrifício de acompanhamento na ductilidade. p © 2020 Science X Network