Oxygen interstitials make metastable titanium alloys strong and ductile

格子間酸素による準安定チタン合金の強度と延性の向上

Chong, Y.*; Gholizadeh, R.*; Guo, B.*; 都留 智仁   ; Zhao, G.*; 吉田 周平*; 光原 昌寿*; Godfrey, A.*; 辻 伸泰*

Chong, Y.*; Gholizadeh, R.*; Guo, B.*; Tsuru, Tomohito; Zhao, G.*; Yoshida, Shuhei*; Mitsuhara, Masatoshi*; Godfrey, A.*; Tsuji, Nobuhiro*

チタン合金は、優れた歪み硬化能を有する反面、降伏強度が低いという問題を抱えている。ここでは、Ti-12Mo(wt.%)準安定チタン合金の降伏強度の向上における結晶粒の微細化と格子間物質の添加の寄与について検討した。その結果、結晶粒の微細化は材料を強化するどころか、この合金の極限引張強度を低下させることがわかった。この予想外の異常な挙動は、ひずみ誘起マルテンサイト相変態が著しく促進されたことに起因しており、その場観察放射光X線回折分析により、この相が相よりはるかに軟らかいことが初めて明らかになった。また、酸素添加と結晶粒微細化の組み合わせにより、Ti-12Mo-0.3O(wt.%)合金において前例のない強度と延性の相乗効果が得られることが判明した。この三元合金における酸素溶質には2つの有利な点がある。第一に、溶質酸素は、微細な組織においても、歪みによるマルテンサイト相への変態を大きく抑制し、過剰なマルテンサイトによる軟化効果を回避することができる。次に、アトムプローブトモグラフィーで明らかになったように、酸素溶質が双晶境界に偏析しやすい。これにより、変形双晶の成長が抑制され、より広範な双晶の核生成が促進される。本研究で得られた知見は、強靭な準安定チタン合金を設計するための費用対効果の高い根拠となり、この高強度対重量構造材料のさらなる普及に大きな意味を持つ。

Metastable titanium alloys possess excellent strain-hardening capability, but suffer from a low yield strength. As a result, numerous attempts have been made to strengthen this important structural material in the last decade. Here, we explore the contributions of grain refinement and interstitial additions in raising the yield strength of a Ti-12Mo (wt.%) metastable titanium alloy. Surprisingly, rather than strengthening the material, grain refinement actually lowers the ultimate tensile strength in this alloy. This unexpected and anomalous behavior is attributed to a significant enhancement in strain-induced martensite phase transformation, where in-situ synchrotron X-ray diffraction analysis reveals, for the first time, that this phase is much softer than the parent phase. Instead, a combination of both oxygen addition and grain refinement is found to realize an unprecedented strength-ductility synergy in a Ti-12Mo-0.3O (wt.%) alloy. The advantageous effect of oxygen solutes in this ternary alloy is twofold. Firstly, solute oxygen largely suppresses strain-induced transformation to the martensite phase, even in a fine-grained microstructure, thus avoiding the softening effect of excessive amounts of martensite. Secondly, oxygen solutes readily segregate to twin boundaries, as revealed by atom probe tomography. This restricts the growth of deformation twins, thereby promoting more extensive twin nucleation, leading to enhanced microstructural refinement. The insights from our work provide a cost-effective rationale for the design of strong yet tough metastable titanium alloys, with significant implications for more widespread use of this high strength-to-weight structural material.