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金屬材料科學(xué)研究前沿（第1期）

2021-04-15 10:33:59 作者：新材料智庫(kù) 來(lái)源：新財(cái)?shù)?/span> 分享至：

Acta Materialia

金屬陶瓷雙相材料表面損傷新機(jī)制

金屬陶瓷兼具陶瓷相的高硬度和粘結(jié)相的高韌性，被作為鉆頭、刀具材料廣泛應(yīng)用于海底勘探、盾構(gòu)機(jī)、金屬加工等關(guān)鍵工程領(lǐng)域。目前，對(duì)金屬陶瓷在寬溫域、變載荷條件下的耐磨性能已有相關(guān)研究報(bào)道，但對(duì)其在熱-力耦合苛刻服役條件下的化學(xué)成分及微結(jié)構(gòu)演變尚缺乏系統(tǒng)性研究。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合的方式系統(tǒng)地研究了金屬陶瓷材料在熱-力耦合條件下的宏觀磨損機(jī)制與微觀損傷機(jī)理，該項(xiàng)研究工作采用粉末冶金真空負(fù)壓燒結(jié)的方法成功制備了包含碳化鈦陶瓷相和高錳鋼粘結(jié)相的新型輕質(zhì)金屬陶瓷雙相材料，發(fā)現(xiàn)不同于傳統(tǒng)陶瓷材料，該金屬陶瓷存在一個(gè)表面損傷機(jī)制轉(zhuǎn)變的臨界溫度（~125攝氏度）。

顯微光譜分析結(jié)合相圖計(jì)算CALPHAD結(jié)果表明，大氣條件下碳化物陶瓷相表面發(fā)生脫碳反應(yīng)造成硬度降低，磨損率升高；原位透射電鏡分析結(jié)合第一性原理計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明，高溫條件下陶瓷相表面發(fā)生相變生成連續(xù)納米晶氧化膜，材料表面塑性提升，磨損率降低。綜上，該研究首次確定了金屬陶瓷材料宏觀磨損機(jī)制的轉(zhuǎn)變溫度，并通過(guò)理論計(jì)算闡明了微觀相變機(jī)理。

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文獻(xiàn)鏈接：

Temperature-induced wear transition in ceramic-metal composites，Acta Materialia，2020

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420309824

梯度納米結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能和變形機(jī)理

受生物材料梯度結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究人員已經(jīng)探索了約40年的成分和結(jié)構(gòu)梯度，以此作為增強(qiáng)工程材料（包括金屬和金屬合金）性能的方法。

許多生物材料在局部化學(xué)組成或結(jié)構(gòu)特征方面表現(xiàn)出空間梯度。為了優(yōu)化力學(xué)性能，工程材料中引入了化學(xué)和結(jié)構(gòu)梯度。化學(xué)成分的梯度會(huì)導(dǎo)致與化學(xué)鍵合相關(guān)的特性發(fā)生梯度變化，可用于增強(qiáng)合成材料的各種適當(dāng)?shù)倪B接性和功能性，包括承載和支撐，抗沖擊破壞性和界面增韌。近日，新加坡南洋理工大學(xué)高華建院士團(tuán)隊(duì)綜述了梯度納米結(jié)構(gòu)金屬和合金的力學(xué)性能和變形機(jī)理；評(píng)估了梯度納米結(jié)構(gòu)金屬材料領(lǐng)域的最新技術(shù)，涵蓋了從制造和表征到潛在的變形機(jī)制等；討論了由結(jié)構(gòu)梯度引起的各種變形行為，包括應(yīng)力和應(yīng)變梯度，新位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的累積和相互作用以及獨(dú)特的界面行為，為梯度結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的未來(lái)方向提供了的重要見(jiàn)解。

文獻(xiàn)鏈接：

Mechanical properties and deformation mechanisms of gradient nanostructured metals and alloys，Nature Reviews Materials，2020

https://www.nature.com/articles/s41578-020-0212-2

Nature Communications

全面揭示鎳基高溫合金孿晶界的應(yīng)變局部化和失效機(jī)理

鎳基高溫合金被廣泛用于各種要求苛刻的環(huán)境中，例如航空航天渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，核電站以及石油和天然氣深井。對(duì)于在侵蝕性環(huán)境中使用的多晶合金，已知晶間降解是材料失效的致命弱點(diǎn)，這刺激了晶界工程（GBE）的發(fā)展。因此，通過(guò)引入高比例的重合位點(diǎn)晶格（CSL）邊界，可以緩解許多材料的晶間開(kāi)裂。相比之下，作為GBE框架下首選的典型CSL邊界，發(fā)現(xiàn)某些鎳基高溫合金中的連貫孿晶邊界（TB）是材料失效的脆弱部位。當(dāng)在各種環(huán)境中使用鎳基高溫合金作為關(guān)鍵組件時(shí)，目前對(duì)與孿晶界相關(guān)的故障缺乏理解。

盡管與孿晶相關(guān)的意外失效已顯示出對(duì)鎳基高溫合金的性能至關(guān)重要，但其機(jī)理的物理原因仍然難以捉摸。近日，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Michael Preuss教授和上海科技大學(xué)zhenbo zhang教授團(tuán)隊(duì)對(duì)γ‘強(qiáng)化的鎳基高溫合金中的TB和與TBs相關(guān)的失效進(jìn)行了全面的多尺度微結(jié)構(gòu)和力學(xué)表征，并結(jié)合密度泛函理論（DFT）計(jì)算。發(fā)現(xiàn)了由TB介導(dǎo)的γ'’相沉淀機(jī)制，這導(dǎo)致沿TB形成獨(dú)特形態(tài)的γ‘’。這種特殊的γ‘’析出物和所形成的析出物剝落區(qū)導(dǎo)致機(jī)械負(fù)載過(guò)程中的過(guò)早位錯(cuò)活動(dòng)和明顯的應(yīng)變局部化。有了這些發(fā)現(xiàn)，作者發(fā)現(xiàn)了鎳基高溫合金在原子水平上與TBs有關(guān)的失效的物理原因。

文獻(xiàn)鏈接：

Strain localisation and failure at twin-boundary complexions in nickel-based superalloys，Nature comumunications，2020

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18641-z

新方法，解決增材制造高熵合金熱裂問(wèn)題

近年來(lái)，增材制造（AM）已被證明是金屬加工的顛覆性技術(shù)。人們對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)制及其對(duì)力學(xué)性能的影響認(rèn)識(shí)有了很大的進(jìn)展。盡管相關(guān)研究越來(lái)越多，但仍然存在一個(gè)主要問(wèn)題，即熱撕裂或熱開(kāi)裂。

通過(guò)焊接知識(shí)理解金屬AM熱裂紋問(wèn)題是一個(gè)很好的點(diǎn)。到目前為止，在AM中防止熱裂的合金設(shè)計(jì)工作主要集中在減小凝固范圍或引入晶粒形核劑上。晶界偏析工程（GBSE）在防止熱裂紋方面的應(yīng)用鮮有報(bào)道。對(duì)于金屬AM來(lái)說(shuō)，它轉(zhuǎn)化為在凝固結(jié)束時(shí)液膜性能的操縱，這是最容易發(fā)生熱開(kāi)裂的地方。一般來(lái)說(shuō)，晶界偏析有利于有害金屬間化合物的生長(zhǎng)，從而使破外晶界完整性。據(jù)報(bào)道，在鑄件中，某些分離誘導(dǎo)的金屬間化合物有利于減少熱裂紋。

基于此，南洋理工大學(xué)XipengTan和Zhongji Sun教授深入的研究了在SLM制造的高熵合金（HEA） CoCrFeNi中廣泛的熱開(kāi)裂問(wèn)題。CoCrFeNi合金的熱裂紋是由高殘余應(yīng)力狀態(tài)引起的。作者引入了晶界偏析工程GBSE方法，有效地消除了殘余應(yīng)力，以防止上述區(qū)域的AM出現(xiàn)熱開(kāi)裂。

文獻(xiàn)鏈接：

Reducing hot tearing by grain boundary segregation engineering in additive manufacturing: example of an AlxCoCrFeNi high-entropy alloy，Acta Materialia，2020

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116505

Acta Materialia

納米析出強(qiáng)化鋼的晶界不連續(xù)析出機(jī)制及調(diào)控機(jī)理

納米析出強(qiáng)化鋼是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展的先進(jìn)高強(qiáng)鋼之一，其具有高強(qiáng)度、高塑性和良好的焊接性能，在航空航天、交通運(yùn)輸和海洋工程等領(lǐng)域有重大的應(yīng)用潛力。但是，高強(qiáng)鋼的晶界處能量高、擴(kuò)散快，容易形成尺寸粗大的不連續(xù)析出相，引起晶界斷裂，嚴(yán)重降低材料的強(qiáng)韌性，這也是眾多析出強(qiáng)化合金普遍存在的一個(gè)問(wèn)題。

最近，香港理工大學(xué)焦增寶團(tuán)隊(duì)以NiAl納米析出強(qiáng)化鋼為模型，探索了高強(qiáng)鋼的晶界不連續(xù)析出機(jī)制及調(diào)控機(jī)理，發(fā)現(xiàn)調(diào)控Cu元素的晶內(nèi)配分和晶界偏析，可以消除晶界處尺寸粗大的不連續(xù)析出相，促進(jìn)NiAl納米相的均勻析出，顯著提高材料的強(qiáng)韌性。

本研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控Cu元素的晶界偏析和晶內(nèi)配分，可以有效的消除高強(qiáng)鋼的晶界不連續(xù)析出，獲得在晶界和晶內(nèi)均勻分布的NiAl納米析出相。研究發(fā)現(xiàn)，Cu元素抑制晶界不連續(xù)析出相的機(jī)理有兩方面：1）Cu元素偏析到NiAl連續(xù)析出相中，加速了晶內(nèi)NiAl相的連續(xù)析出，快速降低了基體的過(guò)飽和度，從而降低了晶界處不連續(xù)析出相的生長(zhǎng)動(dòng)力；2）Cu元素偏析在晶界處，降低了晶界的能量，從而降低了晶界處不連續(xù)析出相的形核動(dòng)力。

文獻(xiàn)鏈接：

Mechanisms for suppressing discontinuous precipitation and improving mechanical properties of NiAl-strengthened steels through nanoscale Cu partitioning，Acta Materialia，2020

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420309988

原位聲波疊加 - 對(duì)7000系鋁合金激光焊接組織性能的影響

隨著輕量化和節(jié)能減排的要求，鋁作為一種有吸引力的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在許多與交通相關(guān)的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。變形鋁合金根據(jù)其化學(xué)成分可分為不可熱處理材料和可熱處理材料。不可熱處理合金的最終機(jī)械性能取決于成形過(guò)程中引入的固溶強(qiáng)化。相反，熱處理和時(shí)效處理是提高沉淀強(qiáng)化合金強(qiáng)度的主要途徑。這些合金的熱處理工藝包括高溫固溶以溶解合金元素，然后快速冷卻至室溫以提供過(guò)飽和固溶體。

AA-7075等沉淀強(qiáng)化鋁合金的特點(diǎn)是固溶態(tài)強(qiáng)度相對(duì)較低，延展性較好。因此，回火為直接進(jìn)行時(shí)效處理的高效成形工藝提供了充分的條件。例如激光束焊接，可用于成型半成品的進(jìn)一步加工。然而，在激光束焊接中，集中的熱輸入會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)（HAZ）的組織發(fā)生有害的變化，這種變化通常只能通過(guò)后續(xù)的熱處理才能逆轉(zhuǎn)。

近日，來(lái)自德國(guó)的卡塞爾大學(xué)的一項(xiàng)最新研究表明，通過(guò)不同的熱處理策略和聲波疊加激光束焊接工藝優(yōu)化提升AA-7075焊接接頭的組織和力學(xué)性能，從而獲得比傳統(tǒng)AA-7075焊接接頭更高的強(qiáng)度。

文獻(xiàn)鏈接：

On the influence of in situ sound wave superposition on the microstructure of laser welded 7000 aluminum alloys，Journal of Advanced Joining Processes，2020

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

熱軋變形量對(duì)高鈦耐磨鋼組織與力學(xué)性能的影響

鋼鐵研究總院研究者最新發(fā)表在金屬學(xué)報(bào)上的文章《熱軋變形量對(duì)高鈦耐磨鋼組織與力學(xué)性能的影響》，通過(guò)不同總壓縮比的實(shí)驗(yàn)室熱軋、微觀組織和析出相表征及力學(xué)性能測(cè)試等實(shí)驗(yàn)，研究了熱軋變形量對(duì)經(jīng)過(guò)軋后熱處理的高鈦耐磨鋼組織和力學(xué)性能的影響。

隨著軋制變形量的增大，高鈦耐磨鋼的強(qiáng)度、韌性和塑性均有提高：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和總延伸率從壓縮比為3:1時(shí)的1202 MPa、1437 MPa和7.4%分別提高到壓縮比為30:1時(shí)的1311 MPa、1484 MPa和9.9%，而室溫Charpy沖擊功從壓縮比為3:1時(shí)的11J大幅提高到壓縮比為10∶1時(shí)的24J。隨著軋制變形量增大，鑄態(tài)析出的微米級(jí)網(wǎng)狀TiC逐漸細(xì)化和均勻化，同時(shí)尺寸小于15 nm的TiC顆粒占比增加，熱處理后的原奧氏體晶粒尺寸則不斷減小。

通過(guò)對(duì)高鈦耐磨鋼各種強(qiáng)化方式的定量分析表明，采用沉淀強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化均方根疊加方式計(jì)算得到的高鈦耐磨鋼屈服強(qiáng)度與實(shí)測(cè)值吻合較好，高鈦耐磨鋼屈服強(qiáng)度隨軋制壓縮比增加而上升主要是由于晶界強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用增加所致。高鈦耐磨鋼的韌性和塑性隨強(qiáng)度的提高不降反升，主要是因?yàn)榇箢w粒TiC在軋制變形過(guò)程中發(fā)生細(xì)化和均勻化。