LLNLの物理学者が、チタンの寿命を縮める「ドウェル疲労」の原因を解明(LLNL physicist probes causes of life-shortening ‘dwell fatigue’ in titanium)

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2022-11-11 ローレンスリバモア国立研究所(LLNL)

最近の研究では、放射光X線を用いて、室温で荷重をかけたチタンで発生した個別のすべり雪崩を追跡することができた。その結果、格子間酸素の含有量と秩序あるTi3Al析出物の量という2種類の点欠陥の分布が、試料によって変化することがわかった。
Nature Communications誌に掲載されたこの研究では、Ti3Alが秩序化を示すところでは、関連する応力の大きさで滑りなだれがより激しくなることが示されている。一方、格子間酸素の量を増やすと、より小さな雪崩がより頻繁に発生するようになり、深刻さが軽減されるようである。
この研究により、停留疲労を支える断続的な変形現象(塑性すべりによる小さな「バースト」)、特にその頻度と大きさが酸素含有量と合金にどのように依存するかを、新しいメソスケールで見ることができる。
研究チームは、滑り雪崩に起因する応力バーストの頻度と大きさを定量化し、どちらのタイプの点欠陥も、結晶格子の基底面上で起こる滑りに顕著な影響を与えることを見いだした。
この変形機構は、初期降伏の後に活性化しやすくなることが分かっており、この軟化は、疲労が蓄積して破損する前兆であることが知られている。その結果、酸素格子間化合物の濃度が高いほど、底面すべりの平均的な大きさが小さくなり、より低い大きさのすべりがより頻繁に発生するようになることがわかった。

<関連情報>

チタンのすべり断続性に及ぼす合金化の影響とドウェル疲労への示唆 The influence of alloying on slip intermittency and the implications for dwell fatigue in titanium

Felicity F. Worsnop,Rachel E. Lim,Joel V. Bernier,Darren C. Pagan,Yilun Xu,Thomas P. McAuliffe,David Rugg &David Dye
Nature Communications  Published:10 October 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-33437-z

Abstract

Dwell fatigue, the reduction in fatigue life experienced by titanium alloys due to holds at stresses as low as 60% of yield, has been implicated in several uncontained jet engine failures. Dislocation slip has long been observed to be an intermittent, scale-bridging phenomenon, similar to that seen in earthquakes but at the nanoscale, leading to the speculation that large stress bursts might promote the initial opening of a crack. Here we observe such stress bursts at the scale of individual grains in situ, using high energy X-ray diffraction microscopy in Ti–7Al–O alloys. This shows that the detrimental effect of precipitation of ordered Ti3Al is to increase the magnitude of rare pri〈a〉 and bas〈a〉 slip bursts associated with slip localisation. By contrast, the addition of trace O interstitials is beneficial, reducing the magnitude of slip bursts and promoting a higher frequency of smaller events. This is further evidence that the formation of long paths for easy basal plane slip localisation should be avoided when engineering titanium alloys against dwell fatigue.

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