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哈工大孫東立團隊：一種獨特的非共格界面，同時改善材料強度塑性！

2020-02-18 14:32:49 作者：柳培來源：材料科學與工程分享至：

TiAl合金是使用溫度600℃以上較理想的高溫輕質結構材料，但低的室溫塑性限制了TiAl合金的廣泛應用。為了改善TiAl合金的上述缺點，研究人員嘗試在TiAl合金中引入兼具金屬和陶瓷特性的三元層狀MAX相——Ti2AlN，力求在保證TiAl合金強度的前提下提高其塑韌性。盡管Ti2AlN/TiAl復合材料具有重要的應用前景，但其綜合力學性能與人們的預期還有一定距離，這主要是因為目前對該復合材料的微觀變形行為本質尚缺乏認識，導致無法建立有效的復合材料微觀結構設計準則，使得Ti2AlN增強增塑的潛力未得到充分挖掘。

近日，哈爾濱工業大學孫東立教授和韓秀麗老師及共同指導的柳培博士(通訊作者)等人在Composites Part B上發表題為“The role of incoherent interface in evadingstrength-ductility trade-off dilemma of Ti2AlN/TiAl composite: Acombined in-situ TEM and atomistic simulations”的文章。本文報道了一種具有適度結合強度和獨特原子結構的Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面在壓縮變形過程中能夠同時扮演“界面軟化”和“界面強化”的雙重角色，有助于同時提高Ti2AlN/TiAl復合材料的壓縮強度和塑性變形能力。

文章鏈接： https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.107794

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研究團隊首先利用原位透射電鏡發現Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面在壓縮變形過程中能夠同時形核和湮滅位錯的獨特現象，隨后利用第一性原理和分子動力學模擬闡明了非共格界面主導的位錯形核/湮滅主要來源于其界面鍵合的多重性和非均勻性。基于這種獨特的界面-位錯作用機制，Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面構型的壓縮失效應變和抗壓強度較Ti2AlN(0001)/TiAl(111)共格界面構型分別提高90.48%和13.01%，因此該非共格界面有助于同時提高復合材料的壓縮強度和塑性變形能力。本研究不僅為Ti2AlN/TiAl復合材料界面優化設計提供了理論指導，也可對推動高性能金屬基復合材料的基礎研究與工程應用具有重要的現實意義。

原位TEM表明非共格界面能夠同時形核初始位錯和阻礙二次位錯：

圖1 Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面區域原位TEM壓縮過程的軸向載荷-時間曲線(a)及微觀結構演變(b~f)

原子結構分析結果表明Ti2AlN(103)是褶皺表面，包含四個原子層；界面作用集中在前三個原子層與TiAl之間；不同局部結構的馳豫方式不同。

圖2 Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面模型馳豫前后側視圖(a~b)和俯視圖(c~d)

差分電荷密度圖表明Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面的電子結構具有多重性和非均勻性。

圖3 Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面沿著(100)平面的價電荷密度差分圖(a) N原子列終端; (b) Ti原子列終端;(c) Al原子列終端.

分子動力學模擬結果表明，Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面構型的壓縮失效應變和抗壓強度較Ti2AlN(0001)/TiAl(111)共格界面構型分別提高90.48%和13.01%。

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圖4 Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面構型及Ti2AlN(0001)/TiAl(111)共格界面構型垂直于界面方向壓縮的應力-應變曲線(分子動力學模擬)

Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面能夠首先形核初始位錯然后阻礙二次位錯。

圖5 壓縮應力-應變曲線(圖7)中標記點對應的Ti2AlN(103)/TiAl(111)界面構型

Ti2AlN(0001)/TiAl(111)共格界面處在壓縮過程中會產生應力集中，從而在靠近共格界面處的Ti2AlN(0001)晶面出現了“原子尺度漣漪”并形成扭折帶，導致共格界面構型的準脆性斷裂。

圖6 壓縮應力-應變曲線(圖7)中標記點對應的Ti2AlN(0001)/TiAl(111)界面構型

初始位錯在Ti2AlN(103)表面Al2原子列的非共格區域（界面結合最弱區域）處形核。

圖7 壓縮過程中初始位錯在Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面處的形核特征

界面局部無序區域為二次位錯提供湮滅場所，阻礙了二次位錯向TiAl側擴展，形成了強化。

圖8壓縮變形過程中單個二次位錯線在非共格界面中的湮滅特征

基于Ti2AlN(103)/TiAl(111)非共格界面鍵合的非均勻性和多重性特征，該非共格界面構型在受到壓縮載荷作用時，界面結合最弱區域，也就是Ti2AlN(103)表面Al2原子列的非共格區域，能夠形核初始位錯開啟塑性變形，隨后界面結合較弱區域能夠演變成局部無序區域從而湮滅二次位錯形成強化，而界面結合較強區域則保持了界面整體穩定性。因此，Ti2AlN(103)/TiAl(111)有助于同時提高Ti2AlN/TiAl復合材料的壓縮強度和塑性變形能力。

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