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非晶內生複合材料研究進展
 
2020-07-29 | 文章来源:前沿材料研究部        【 】【打印】【關閉

  非晶內生β-Ti複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。 

  中國科學院金属研究所张龙副研究员、张海峰研究员等多年来在非晶内生β-Ti複合材料的形成理论、微观组织调控、力学行为等研究方面取得了重要进展。建立了该类非晶内生複合材料的“两相准平衡凝固理论”Sci. Rep. 6 (2016) 19235,为调控这类非晶内生複合材料的微观组织提供了理论基础。发现凝固过程中过冷熔体对内生亚稳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,并对非晶内生複合材料的力学性能有显著影响Mater. Des. 133 (2017) 82。基于“兩相准平衡凝固理論”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。“兩相准平衡凝固理論”也爲精確調控內生β相的(亞)穩定性提供了基礎,在同一合金系把穩定的β相調控爲能夠發生形變誘發馬氏體相變的亞穩βMater. Sci. Eng. A 689 (2017) 404,並開發了內生β具有典型的3种不同(亚)稳定性的非晶複合材料J. Alloy. Compd. 708 (2017) 972。在調控β-Ti相穩定性時,發現成分爲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“兩相准平衡凝固理論”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)複合材料的方法——“叠代法J. Alloy. Compd. 740 (2018) 639。发现非晶複合材料的拉伸屈服强度对内生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、相稳定性、体积分数对非晶複合材料拉伸性能的影响规律,在此基础上开发出了兼具高形成能力、高屈服强度、较大拉伸塑性、超弹性和加工硬化能力的系列非晶内生複合材料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、碩士生顔廷毅、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教授合作研究发现:当非晶内生複合材料中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爲α'α"马氏体相),则非晶内生複合材料的应力-應變曲線上會出現明顯的鋸齒流變行爲,見圖1。这与之前报道的非晶内生複合材料的拉伸力学行为明显不同,而是类似于单相非晶合金在压缩载荷作用下的锯齿流变行为,并且该非晶内生複合材料在拉伸中的锯齿大小累积分布也服从类似的幂律分布规律。该非晶内生複合材料呈现剪切破坏模式,拉伸破坏后的微观组织中变形帶同时贯穿了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,厚度約爲10nm,表明亞穩β相在變形過程中轉變爲了ω相。非晶内生複合材料的锯齿行为起源于这种新的塑性变形机制:非晶基体中剪切帶与亚稳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範圍(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帶的协同剪切不断被激发和抑制导致了非晶内生複合材料出现了拉伸锯齿行为。ω的産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,全位錯分解爲兩個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相的亚稳定性密切相关。剪切帶与ω协同剪切机制的发现不仅丰富了非晶複合材料的变形机制,也为开发兼具拉伸塑性和剪切破坏方式的高释能非晶内生複合材料提供了理论基础。该工作近日以“非晶内生亚稳β-Ti複合材料中的协同剪切(Cooperative Shear in Bulk Metallic Glass Composites Containing Metastable β-Ti Dendrites)”爲題發表在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

图1:非晶内生亚稳β-Ti複合材料的微观组织和拉伸应力-应变曲线

图2:拉伸破坏后样品的微观组织,可见协同剪切的变形帶贯穿枝晶与非晶基体

图3:β到ω的相转变以及非晶内生複合材料中剪切帶与ω-Ti帶的协同剪切机制

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