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東北大學發表頂刊綜述IF=31.56：超細晶金屬基納米復合材料的粉末冶金制備！

2021-03-23 10:31:28 作者：本網整理來源：材料學網微信公眾號分享至：

近日，國際材料領域頂級綜述期刊《Progress in Materials Science》在線發表了東北大學材料學院的長篇綜述論文“Ultrafine Grained Metals and Metal Matrix Nanocomposites Fabricated by Powder Processing and Thermomechanical Powder Consolidation”。論文影響因子IF=31.56！論文第一作者和通訊作者為張德良教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100796

近30年來，粉末加工和粉末固結已被廣泛應用于制造先進金屬和金屬基復合材料。本文主要的研究工作提供了一個概述作者的團體在新西蘭懷卡托大學，中國上海交通大學和東北大學，作為示例來展示這個加工路線制造UFG金屬和金屬基納米復合材料具有高強度和良好的拉伸延性的能力。這篇文章撰寫本文并提交發表，以慶祝Brian Cantor教授在加工和開發先進金屬材料方面的卓越和開創性的研究成就，這些成就突出了金屬，非晶態和其他亞穩態材料以及包括高分子量合金在內的多組分高熵合金（HEA）凝固的異質成核，這是由Cantor教授和他的同事首先發現的。

本文概述了作者的研究小組發表的大量研究工作。所制備樣品的微觀結構和拉伸性能以及它們之間的相關性強烈表明，為了顯著提高拉伸屈服強度并保持總體良好的拉伸延展性，非常需要晶界強化和顆粒內陶瓷（和其他硬質）納米顆粒的協同作用。由異質微觀結構引入的硬區域和軟區域之間的額外邊界可以通過在軟區域中引起反應力來進一步增強材料的強度，而不會犧牲拉伸延展性。但是，這些邊界也會在硬區域中引起正向應力，從而對它們產生減弱作用，因此需要通過將納米顆粒分散在硬區域中或通過其他方式進行處理。

在研究和開發用于結構應用的金屬和金屬基復合材料中，人們不斷追求更高的強度、良好的延展性、良好的斷裂韌性和良好的疲勞強度。開發高強度結構材料的重要性是十分明顯的。

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圖1 （a）各種微觀結構特征對金屬材料強度的貢獻和（b）影響金屬材料拉伸延性的因素示意圖

圖2:由R1-Cu和R2-Cu粉在700℃粉末擠壓制備的R1-PCE700和R2-PCE7d的拉伸工程應力-應變曲線

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圖3:（a） HE、（b） HE- 400ht和（c） HE- 700ht樣品及（d）其對應色標的電子背散射衍射（EBSD）反極圖（IPF）對比圖。

圖4 納米晶Cu-5vol%Al203納米復合粉末熱擠壓的SPS制備的（a） SPSO、（b） SPS10和（c） SPS20樣品的EBSD IPF圖。保溫時間分別為0、10和20分鐘。

圖5 Cu5Nb700800和Cu5Nb900800樣品的NbC衍射斑所產生的透射電鏡（TEM）亮場圖像（a）和（c）以及相應的暗場圖像（b）和（d）。（b）和（d）中的插入物顯示了相應的選定區域的電子衍射圖形。

圖6 （a）擠壓態的UFG Cu-NbC納米復合材料棒和（b）和（c）分別在800℃和1000℃軋制的UFG Cu-NbC納米復合材料樣品的透射衍射（TKD） IPF顯微結構對比圖

圖7 （a）和（b）掃描電鏡背散射電子圖像，（c）和（d） TEM亮視場圖像（e）和（f） SAED模式（一），

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圖8 （a）和（b） TEM亮場（BF）和暗場（DF）圖像（插圖為SAED模式），

（c）機械研磨CoCrFeNiMn HEA粉，熱擠壓后，SPS法制備SPS + HE CoCrFeNiMn HEA樣品的XRD譜圖和（d） BESD逆極圖（IPF）圖像

圖9 （a）從Frank-Read位錯源產生的GND堆積圖，在軟區產生背應力，反過來又在硬區產生前向應力。（b） GND在界面（區域邊界）附近堆積引起的GND密度梯度。（c）接觸面（區域邊界）附近GND堆積引起的應變和正應變梯度。

圖10 （a）加工硬化速率與真應變的典型曲線，（b）闡明提高加工硬化能力的三種機制的示意圖，（c） TEM亮場圖像顯示由納米粒子固定的位錯，（d） TEM亮場圖像顯示位錯和（e）和（f）高分辨率TEM （HRTEM）和相應的快速傅里葉反變換（FFT）圖像顯示了在孿晶界附近明顯的局部位錯和堆垛層錯，和（g） TEM亮視場圖像顯示的線程混亂固定納米顆粒

作者在此基礎上，提出了今后的研究方向。

（i）開發數學或數值模型，考慮位錯與第二相納米粒子或析出相與晶界之間的相互作用，以預測UFG金屬和金屬基納米復合材料的屈服強度和流動應力。

（ii）研究這類材料的斷裂過程，揭示不同微觀結構特征處和裂紋尖端前方的微孔是如何成核的

（iii）建立顆粒間鍵合強度與加工條件的相關性以及顆粒間鍵合強度對力學行為的影響。（iv）利用機器學習方法分析粉末加工和熱機械粉末固結制備的UFG金屬及金屬基納米復合材料的大量力學性能和相應的微觀結構特征數據，闡明在保證高屈服強度和流動強度的同時，抑制微孔的形核和聚結，延緩斷裂關鍵的微觀結構因素。

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