金屬頂刊《Acta Materialia》：鈦基復合材料強度-塑性-韌性的同時提高！
2023-06-05 14:20:35
作者：材料基 來源：材料基
分享至：
近期，西安交通大學材料學院的高義民教授團隊的李強博士生，聯合新加坡南洋理工大學的黃升博士、趙亞凱博士和Upadrasta Ramamurty教授，針對鈦基復合材料（TMCs, Titanium matrix composites）中陶瓷相添加導致塑韌性降低問題展開研究。相關研究結果以“Simultaneous Enhancements of Strength, Ductility, and Toughness in a TiB Reinforced Titanium Matrix Composite”為題，發(fā)表在金屬材料領域頂級期刊Acta Materialia上。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118995為進一步提高鈦合金的比強度、比剛度及高溫性能等，常向鈦合金中引入陶瓷增強相制備鈦基復合材料。但陶瓷相（如TiB）的添加，往往會降低復合材料的延展性和斷裂韌性等，這主要是由于增強相顆粒常位于晶界處。該研究采用粉末冶金技術制備了TMCs（其中大部分一硼化鈦（TiB）顆粒位于晶粒內），并對其微觀組織、室溫拉伸性能、I型斷裂韌性和疲勞裂紋擴展行為進行了系統研究。結果表明，當大多數微米級TiB均位于晶內時，1 vol.%的TiB添加可實現強度、塑性和斷裂起始韌性的同時提高！相對于無TiB添加的純鈦試樣，1 vol.%TiB/Ti復合材料的屈服強度（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%。間斷拉伸試驗表明，GB-TiB（與晶界相交的TiB）和IG-TiB（完全位于晶內的TiB）在TMC變形過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IG-TiB在材料斷裂之前均保持完好，可在材料變形過程中作為位錯滑移的障礙，提高Ti基體的應變硬化率。此外，還對制備的鈦基復合材料的斷裂力學進行研究，例如斷裂韌性和疲勞裂紋擴展行為。幾個世紀以來，學者們一直致力于研發(fā)出更強、更韌、更輕及更耐高溫的材料，其中金屬基復合材料（MMCs, Metal matrix composites）在過去的50年間收到了廣泛關注。鈦基復合材料因其高比強度、比剛度、優(yōu)異的高溫性能和較低的熱膨脹系數等，在航空航天、汽車和民用等行業(yè)都有著很大的應用潛力，可用于替換傳統材料以實現減重、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，相對于鈦合金，鈦基復合材料有著更好的高溫服役性能，例如高溫強度、抗氧化性和抗蠕變性能等，但室溫脆性仍是鈦基復合材料的一大瓶頸問題！近年來，針對TMCs的室溫脆性問題，國內外學者們已開展了一系列研究，例如調控增強相的分布、降低增強相尺寸等，但是絕大部分鈦基復合材料的塑性仍低于無增強相添加的鈦合金。在本研究中，通過粉末冶金法制備了大部分微米級TiB（~80%）均位于Ti晶粒內部的鈦基復合材料。在TiB體積分數為1%的鈦基復合材料中，實現了強度、塑性和斷裂起始韌性（KQ）的同時增強。對試樣進行間斷拉伸試驗，研究討論了TiB位置的重要性，結果表明，位于晶內的IG-TiB，在以平面滑移為主的α-Ti基體中，可阻礙位錯滑移，促進雙系滑移/多系滑移的開動，提高基體的加工硬化率，進而增強材料塑性。對疲勞裂紋擴展行為進行研究發(fā)現，在無TiB添加的C0試樣中，粗大晶粒是裂紋偏轉的原因，而在復合材料試樣中，TiB主導了疲勞裂紋的偏轉行為。表1. TMCs的化學成分、理論TiB體積分數以及用于制備的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體積分數變化的GB-TiB和IG-TiB體積分數。（位于晶界的GB-TiB和位于晶內的IG-TiB分別用藍色和紅色突出顯示）圖3. C0-C4試樣的室溫拉伸行為：（a）工程應力應變曲線，（b）Kocks-Mecking曲線。圖9. C1 樣品表面（自由表面）在拉伸測試至約 8.5% 應變（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的斷裂主導試樣的（a）頸縮和（c）斷裂開始的示意圖。（b）均勻延伸率隨GB-TiB體積分數變化，（d）斷裂延伸率隨總TiB體積分數的變化。圖12. 拉伸應變至~8.5%（接近頸縮）后C1樣品的變形機制分析。（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. 疲勞裂紋擴展門檻值隨TiB總體積分數變化。插入圖表示C0和C4試樣中的裂紋偏轉。
免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。
