金屬頂刊《Acta Materialia》：鈦基復(fù)合材料強(qiáng)度-塑性-韌性的同時(shí)提高！
2023-06-01 13:27:21
作者：材料科學(xué)與工程 來(lái)源：材料科學(xué)與工程
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近期，西安交通大學(xué)材料學(xué)院的高義民教授團(tuán)隊(duì)的李強(qiáng)博士生，聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)的黃升博士、趙亞凱博士和Upadrasta Ramamurty教授，針對(duì)鈦基復(fù)合材料（TMCs, Titanium matrix composites）中陶瓷相添加導(dǎo)致塑韌性降低問(wèn)題展開(kāi)研究。相關(guān)研究結(jié)果以“Simultaneous Enhancements of Strength, Ductility, and Toughness in a TiB Reinforced Titanium Matrix Composite”為題，發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Acta Materialia上。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118995為進(jìn)一步提高鈦合金的比強(qiáng)度、比剛度及高溫性能等，常向鈦合金中引入陶瓷增強(qiáng)相制備鈦基復(fù)合材料。但陶瓷相（如TiB）的添加，往往會(huì)降低復(fù)合材料的延展性和斷裂韌性等，這主要是由于增強(qiáng)相顆粒常位于晶界處。該研究采用粉末冶金技術(shù)制備了TMCs（其中大部分一硼化鈦（TiB）顆粒位于晶粒內(nèi)），并對(duì)其微觀組織、室溫拉伸性能、I型斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，當(dāng)大多數(shù)微米級(jí)TiB均位于晶內(nèi)時(shí)，1 vol.%的TiB添加可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、塑性和斷裂起始韌性的同時(shí)提高！相對(duì)于無(wú)TiB添加的純鈦試樣，1 vol.%TiB/Ti復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度（σy）、斷裂延伸率（ef）和斷裂起始韌性（KQ）分別提高了93.9%、35.0%和67.0%。間斷拉伸試驗(yàn)表明，GB-TiB（與晶界相交的TiB）和IG-TiB（完全位于晶內(nèi)的TiB）在TMC變形過(guò)程中的作用存在顯著差異。GB-TiB在材料頸縮之前發(fā)生斷裂，表明它們限制材料塑性的作用；而大多數(shù)IG-TiB在材料斷裂之前均保持完好，可在材料變形過(guò)程中作為位錯(cuò)滑移的障礙，提高Ti基體的應(yīng)變硬化率。此外，還對(duì)制備的鈦基復(fù)合材料的斷裂力學(xué)進(jìn)行研究，例如斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展行為。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，學(xué)者們一直致力于研發(fā)出更強(qiáng)、更韌、更輕及更耐高溫的材料，其中金屬基復(fù)合材料（MMCs, Metal matrix composites）在過(guò)去的50年間收到了廣泛關(guān)注。鈦基復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、比剛度、優(yōu)異的高溫性能和較低的熱膨脹系數(shù)等，在航空航天、汽車和民用等行業(yè)都有著很大的應(yīng)用潛力，可用于替換傳統(tǒng)材料以實(shí)現(xiàn)減重、提高使用性能和服役溫度等目的。雖然已有大量的研究表明，相對(duì)于鈦合金，鈦基復(fù)合材料有著更好的高溫服役性能，例如高溫強(qiáng)度、抗氧化性和抗蠕變性能等，但室溫脆性仍是鈦基復(fù)合材料的一大瓶頸問(wèn)題！近年來(lái)，針對(duì)TMCs的室溫脆性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們已開(kāi)展了一系列研究，例如調(diào)控增強(qiáng)相的分布、降低增強(qiáng)相尺寸等，但是絕大部分鈦基復(fù)合材料的塑性仍低于無(wú)增強(qiáng)相添加的鈦合金。在本研究中，通過(guò)粉末冶金法制備了大部分微米級(jí)TiB（~80%）均位于Ti晶粒內(nèi)部的鈦基復(fù)合材料。在TiB體積分?jǐn)?shù)為1%的鈦基復(fù)合材料中，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度、塑性和斷裂起始韌性（KQ）的同時(shí)增強(qiáng)。對(duì)試樣進(jìn)行間斷拉伸試驗(yàn)，研究討論了TiB位置的重要性，結(jié)果表明，位于晶內(nèi)的IG-TiB，在以平面滑移為主的α-Ti基體中，可阻礙位錯(cuò)滑移，促進(jìn)雙系滑移/多系滑移的開(kāi)動(dòng)，提高基體的加工硬化率，進(jìn)而增強(qiáng)材料塑性。對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在無(wú)TiB添加的C0試樣中，粗大晶粒是裂紋偏轉(zhuǎn)的原因，而在復(fù)合材料試樣中，TiB主導(dǎo)了疲勞裂紋的偏轉(zhuǎn)行為。表1. TMCs的化學(xué)成分、理論TiB體積分?jǐn)?shù)以及用于制備的AlB2添加量圖2. 有代表性的光鏡照片：（a）C0試樣，（b）C1試樣，（c）C2試樣，（d）C4試樣。（e）隨總TiB體積分?jǐn)?shù)變化的GB-TiB和IG-TiB體積分?jǐn)?shù)。（位于晶界的GB-TiB和位于晶內(nèi)的IG-TiB分別用藍(lán)色和紅色突出顯示）圖3. C0-C4試樣的室溫拉伸行為：（a）工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，（b）Kocks-Mecking曲線。表4. 斷裂起始韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展性能匯總。圖9. C1 樣品表面（自由表面）在拉伸測(cè)試至約 8.5% 應(yīng)變（接近頸縮）后的掃描電子顯微照片： (a)低倍SEM， (b) 高倍SEM照片顯示GB-TiB ， (c–d)高倍SEM照片顯示 IG-TiB。圖11. 表明TiB的斷裂主導(dǎo)試樣的（a）頸縮和（c）斷裂開(kāi)始的示意圖。（b）均勻延伸率隨GB-TiB體積分?jǐn)?shù)變化，（d）斷裂延伸率隨總TiB體積分?jǐn)?shù)的變化。圖12. 拉伸應(yīng)變至~8.5%（接近頸縮）后C1樣品的變形機(jī)制分析。（a）晶粒取向圖（b，e）Grain 1和Grain 2的SEM圖像，（c，f）Grain 1和Grain 2的相圖，（d，g）Grain 1和Grain 2的KAM圖。圖13. 疲勞裂紋的側(cè)表面照片：（a，b）C0試樣，（c，d）C1試樣，（e，f）C4試樣。圖14. 疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值隨TiB總體積分?jǐn)?shù)變化。插入圖表示C0和C4試樣中的裂紋偏轉(zhuǎn)。
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