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非晶內生復合材料研究進展
 
2020-07-29 | 文章來源:前沿材料研究部        【 】【打印】【關閉

  非晶內生β-Ti復合材料因具有較大的臨界形成尺寸、優異的力學性能和釋能特性,具有廣闊的應用前景。如何針對應用目標實現組織結構與力學性能的有效調控是其難點。 

  中國科學院金屬研究所張龍副研究員、張海峰研究員等多年來在非晶內生β-Ti復合材料的形成理論、微觀組織調控、力學行為等研究方面取得了重要進展。建立了該類非晶內生復合材料的“兩相準平衡凝固理論”Sci. Rep. 6 (2016) 19235,為調控這類非晶內生復合材料的微觀組織提供了理論基礎。發現凝固過程中過冷熔體對內生亞穩β-Ti相的負熵穩定效應,亞穩β相向α相的轉變被抑制而傾向在內部析出ωScripta Mater. 125 (2016) 19。發現等溫ω相析出可以顯著提高內生β相的硬度和模量,并對非晶內生復合材料的力學性能有顯著影響Mater. Des. 133 (2017) 82。基于“兩相準平衡凝固理論”解釋了Be元素傾向幾乎完全固溶于非晶基體的原因J. Mater. Sci. Technol. 33 (2017) 708。“兩相準平衡凝固理論”也為精確調控內生β相的(亞)穩定性提供了基礎,在同一合金系把穩定的β相調控為能夠發生形變誘發馬氏體相變的亞穩βMater. Sci. Eng. A 689 (2017) 404,并開發了內生β具有典型的3種不同(亞)穩定性的非晶復合材料J. Alloy. Compd. 708 (2017) 972。在調控β-Ti相穩定性時,發現成分為Ti59.1Zr37Cu2.3Fe1.6鑄態多晶合金的晶粒內部出現非晶相,基于非晶相的存在方式、分布特征和物理性質,提出了馬氏體相變致固態非晶化機制以及“非晶馬氏體”的概念Nat. Commun. 9 (2018) 506。基于“兩相準平衡凝固理論”提出了從單相Ti基(或Zr基)非晶合金來開發非晶內生β-Ti(β-Zr)復合材料的方法——“迭代法J. Alloy. Compd. 740 (2018) 639。發現非晶復合材料的拉伸屈服強度對內生β相的亞穩定性非常敏感,基于Eshelby分析法將屈服強度與內生β相亞穩定性進行了關聯Scripta Mater. 173 (2019) 11。系統研究了內生β相的尺寸大小、相穩定性、體積分數對非晶復合材料拉伸性能的影響規律,在此基礎上開發出了兼具高形成能力、高屈服強度、較大拉伸塑性、超彈性和加工硬化能力的系列非晶內生復合材料Acta Mater. 168 (2019) 24 

  近日,張龍副研究員(第一作者)、中科院物理所孫保安研究員、碩士生顏廷毅、張海峰研究員(通訊作者)與國外合作者R.L. Narayan博士、U. Ramamurty教授和J. Eckert教授合作研究發現:當非晶內生復合材料中β-Ti相具有臨界的亞穩定性時(即在拉伸載荷作用下內生β相既不能保持穩定也不會轉變為α'α"馬氏體相),則非晶內生復合材料的應力-應變曲線上會出現明顯的鋸齒流變行為,見圖1。這與之前報道的非晶內生復合材料的拉伸力學行為明顯不同,而是類似于單相非晶合金在壓縮載荷作用下的鋸齒流變行為,并且該非晶內生復合材料在拉伸中的鋸齒大小累積分布也服從類似的冪律分布規律。該非晶內生復合材料呈現剪切破壞模式,拉伸破壞后的微觀組織中變形帶同時貫穿了β-Ti枝晶和局域非晶基體,見圖2β-Ti枝晶中的變形帶主要由ω-Ti相組成,厚度約為10nm,表明亞穩β相在變形過程中轉變為了ω相。非晶內生復合材料的鋸齒行為起源于這種新的塑性變形機制:非晶基體中剪切帶與亞穩β-Ti枝晶中ω-Ti帶的協同剪切機制。剪切帶與ω-Ti帶的協同剪切可以在單個枝晶的局域范圍(數十微米)內引發剪切失穩,但協同剪切變形帶會被周圍不同晶體取向的β-Ti枝晶所抑制。剪切帶/ω-Ti帶的協同剪切不斷被激發和抑制導致了非晶內生復合材料出現了拉伸鋸齒行為。ω的產生與協同剪切過程的高應變速率(可高達~103 s-1)有關,高應變速率激發1/2<111>β全位錯,由于ω相的自由能相對于亞穩β相更低,全位錯分解為兩個1/12<111>β和一個1/3<111>β不全位錯,實現β相到ω相轉變,見圖3。這種協同剪切機制與內生β相的亞穩定性密切相關。剪切帶與ω協同剪切機制的發現不僅豐富了非晶復合材料的變形機制,也為開發兼具拉伸塑性和剪切破壞方式的高釋能非晶內生復合材料提供了理論基礎。該工作近日以“非晶內生亞穩β-Ti復合材料中的協同剪切(Cooperative Shear in Bulk Metallic Glass Composites Containing Metastable β-Ti Dendrites)”為題發表在Physical Review Letters 125 (2020) 055501上。該研究工作得到了科技部重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、興遼英才計劃等項目的支持。 

  原文鏈接

圖1:非晶內生亞穩β-Ti復合材料的微觀組織和拉伸應力-應變曲線

圖2:拉伸破壞后樣品的微觀組織,可見協同剪切的變形帶貫穿枝晶與非晶基體

圖3:β到ω的相轉變以及非晶內生復合材料中剪切帶與ω-Ti帶的協同剪切機制

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