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哈工大《Acta》FCC-Ti助力性能大幅度提高！

来源：爱乐趣网时间：2020年11月22日 21:08

原标题：哈工大《Acta》FCC-Ti助力性能大幅度提高！

导读：本文在碳掺杂的Ti37Nb28Mo28-C7（TNMC合金）中观察到了间隙碳诱导的FCC-Ti，使用STEM直接表征了FCC-Ti的真实晶体结构，而且首次通过纳米压痕和微柱压缩测试了力学性能，FCC-Ti表现出17.8 GPa的高纳米硬度和233.1 GPa的高弹性模量。

作为一类有前途的工程材料，由于其低密度，高强度和优异的耐腐蚀性，诸如钛合金，钛基复合材料和Ti-Al金属间化合物之类的钛材料在过去一个世纪引起了越来越多的关注。Ti在难熔复杂浓缩合金（RCCA）中也起着至关重要的作用。近年来，发现掺杂非金属间隙原子能够有效增强Co-Cr-Fe-Mn-Ni CCAs的强度而不会牺牲延展性。尽管这种新的合金化策略具有巨大的潜力，但在RCCA中的应用却很少。因此，为进一步利用这种新颖的合金化策略，继续在间隙RCCAs的组成空间中进行研究并弄清间隙原子在RCCA中的作用具有重要意义。

基于此，哈尔滨工业大学黄陆军教授团队设计并制造了密度较低的碳掺杂的TNMC合金，并且由于掺杂了C原子，FCC-Ti在体心立方RCCA中形成。为了更好地了解这种隐藏的同素异形相以及该RCCA中间隙C原子的作用，对该新型FCC-Ti进行了系统的研究。首次通过直接观察真实的原子排列来确定晶体结构。根据纳米压痕试验，发现FCC-Ti具有高硬度和模量。这项工作的发现不仅为FCC-Ti的特性提供了重要的见解，而且还为间隙原子在RCCA中的作用提供了重要的见识，并可能为将来的材料设计打开无限的可能性。相关研究结果以题为“Interstitial carbon induced FCC-Ti exhibiting ultrahigh strength in a Ti37Nb28Mo28-C7 complex concentrated alloy”发表在Acta Materialia上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420308739

微柱压缩试验证明了间隙C诱导的FCC-Ti的超高强度（[111]方向为4.48 GPa，[101]方向为2.67GPa，CRSS为1.12±0.07 GPa）。 基于从头计算的研究，确定了变异体的是由于C原子间的间隙引起的晶格结构重排。这项研究的发现提供了有关FCC-Ti特性以及RCCA中间隙原子的作用的见解，这可能为将来的材料设计开辟无限的可能性。

图1.(a) TNMC合金的SEM二次电子图像；(b) Ti，Nb，Mo元素粉末，球磨粉末和烧结TNMC合金的XRD图谱；(c) EBSD IPF图，显示了TNMC合金的晶粒形态

图2.TNMC合金的TEM表征：(a)明场图像；(b-d) Mo，Nb和Ti的EDS映射;(e和f) 根据EDS映射从不同阶段获取的SAED模式

图3.TNMC合金的STEM-EELS表征：(a,b)Ti-C相沿其[1 1 0]区域轴的a和b原子分辨率HAADF和ABF图像；(c,d)（Ti，Nb，Mo）相沿其[1 1 0]区域轴的c和d原子分辨率HAADF和ABF图像；(e,f)具有NaCl型结构的TiC和具有FCC结构的FCC-Ti的示意图；(g,h) Ti-C相的C K和Ti L边缘的g和h ELNES光谱

图4.FCC-Ti-C的力学性能：（a）与（Ti，Nb，Mo）固溶相相比，FCC-Ti-C的纳米压痕加载/卸载曲线；(b,c)在FCC-Ti-C和（Ti，Nb，Mo）固溶体相上有相应的凹痕，在光学显微镜下显示了两个相之间的清晰对比；(d)在具有不同晶体学取向的FIB制造的单晶FCC-Ti-C微柱上的压缩应力-应变曲线；(e,f)单晶FCC-Ti-C微柱SEM二次电子图像

图5.变形的FCC-Ti-C的TEM表征：(a)明场图像；(b) HRTEM图5a中红色虚线正方形所示的堆垛层错；(c,d)图5 b中标记区域的FFT模式

图6. BCC-Ti，HCP-Ti和FCC-Ti的内聚能变化是由于间隙C原子的含量不同引起的

图7.通过DFT评估的FCC-Ti和C掺杂的FCC-Ti的力学性能

图8.根据DFT计算结果和纳米压痕测试，计算了不同C含量的C掺杂FCC-Ti的杨氏模量

综上所述，本文发现了在Ti37Nb28Mo28-C7复合物浓缩合金中形成的间隙C诱导的FCC-Ti。使用经Cs校正的STEM表征晶格结构，并且EELS表征表明，C原子作为固体溶质原子随机分布在FCC-Ti中。通过纳米压痕和微柱压缩测试的C诱导的FCC-Ti的机械力学显示，FCC-Ti-C具有极高的弹性模量和超高压缩强度。

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