{首页主词},&

金屬材料科學研究前沿（第1期）

2021-04-15 10:33:59 作者：新材料智庫來源：新財道分享至：

Acta Materialia

金屬陶瓷雙相材料表面損傷新機制

金屬陶瓷兼具陶瓷相的高硬度和粘結相的高韌性，被作為鉆頭、刀具材料廣泛應用于海底勘探、盾構機、金屬加工等關鍵工程領域。目前，對金屬陶瓷在寬溫域、變載荷條件下的耐磨性能已有相關研究報道，但對其在熱-力耦合苛刻服役條件下的化學成分及微結構演變尚缺乏系統性研究。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋新材料與應用技術重點實驗室通過關鍵實驗與理論計算相結合的方式系統地研究了金屬陶瓷材料在熱-力耦合條件下的宏觀磨損機制與微觀損傷機理，該項研究工作采用粉末冶金真空負壓燒結的方法成功制備了包含碳化鈦陶瓷相和高錳鋼粘結相的新型輕質金屬陶瓷雙相材料，發現不同于傳統陶瓷材料，該金屬陶瓷存在一個表面損傷機制轉變的臨界溫度（~125攝氏度）。

顯微光譜分析結合相圖計算CALPHAD結果表明，大氣條件下碳化物陶瓷相表面發生脫碳反應造成硬度降低，磨損率升高；原位透射電鏡分析結合第一性原理計算結果進一步表明，高溫條件下陶瓷相表面發生相變生成連續納米晶氧化膜，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制的轉變溫度，并通過理論計算闡明了微觀相變機理。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

文獻鏈接：

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

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

梯度納米結構金屬材料的力學性能和變形機理

受生物材料梯度結構的啟發，研究人員已經探索了約40年的成分和結構梯度，以此作為增強工程材料（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組成或結構特征方面表現出空間梯度。為了優化力學性能，工程材料中引入了化學和結構梯度。化學成分的梯度會導致與化學鍵合相關的特性發生梯度變化，可用于增強合成材料的各種適當的連接性和功能性，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高華建院士團隊綜述了梯度納米結構金屬和合金的力學性能和變形機理；評估了梯度納米結構金屬材料領域的最新技術，涵蓋了從制造和表征到潛在的變形機制等；討論了由結構梯度引起的各種變形行為，包括應力和應變梯度，新位錯結構的累積和相互作用以及獨特的界面行為，為梯度結構材料發展的未來方向提供了的重要見解。

文獻鏈接：

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變局部化和失效機理

鎳基高溫合金被廣泛用于各種要求苛刻的環境中，例如航空航天渦輪發動機，核電站以及石油和天然氣深井。對于在侵蝕性環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，這刺激了晶界工程（GBE）的發展。因此，通過引入高比例的重合位點晶格（CSL）邊界，可以緩解許多材料的晶間開裂。相比之下，作為GBE框架下首選的典型CSL邊界，發現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。當在各種環境中使用鎳基高溫合金作為關鍵組件時，目前對與孿晶界相關的故障缺乏理解。

盡管與孿晶相關的意外失效已顯示出對鎳基高溫合金的性能至關重要，但其機理的物理原因仍然難以捉摸。近日，英國曼徹斯特大學Michael Preuss教授和上海科技大學zhenbo zhang教授團隊對γ‘強化的鎳基高溫合金中的TB和與TBs相關的失效進行了全面的多尺度微結構和力學表征，并結合密度泛函理論（DFT）計算。發現了由TB介導的γ'’相沉淀機制，這導致沿TB形成獨特形態的γ‘’。這種特殊的γ‘’析出物和所形成的析出物剝落區導致機械負載過程中的過早位錯活動和明顯的應變局部化。有了這些發現，作者發現了鎳基高溫合金在原子水平上與TBs有關的失效的物理原因。

文獻鏈接：

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題

近年來，增材制造（AM）已被證明是金屬加工的顛覆性技術。人們對其微觀結構形成機制及其對力學性能的影響認識有了很大的進展。盡管相關研究越來越多，但仍然存在一個主要問題，即熱撕裂或熱開裂。

通過焊接知識理解金屬AM熱裂紋問題是一個很好的點。到目前為止，在AM中防止熱裂的合金設計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用鮮有報道。對于金屬AM來說，它轉化為在凝固結束時液膜性能的操縱，這是最容易發生熱開裂的地方。一般來說，晶界偏析有利于有害金屬間化合物的生長，從而使破外晶界完整性。據報道，在鑄件中，某些分離誘導的金屬間化合物有利于減少熱裂紋。

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

文獻鏈接：

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

納米析出強化鋼的晶界不連續析出機制及調控機理

納米析出強化鋼是近年來國內外迅速發展的先進高強鋼之一，其具有高強度、高塑性和良好的焊接性能，在航空航天、交通運輸和海洋工程等領域有重大的應用潛力。但是，高強鋼的晶界處能量高、擴散快，容易形成尺寸粗大的不連續析出相，引起晶界斷裂，嚴重降低材料的強韌性，這也是眾多析出強化合金普遍存在的一個問題。

最近，香港理工大學焦增寶團隊以NiAl納米析出強化鋼為模型，探索了高強鋼的晶界不連續析出機制及調控機理，發現調控Cu元素的晶內配分和晶界偏析，可以消除晶界處尺寸粗大的不連續析出相，促進NiAl納米相的均勻析出，顯著提高材料的強韌性。

本研究發現，調控Cu元素的晶界偏析和晶內配分，可以有效的消除高強鋼的晶界不連續析出，獲得在晶界和晶內均勻分布的NiAl納米析出相。研究發現，Cu元素抑制晶界不連續析出相的機理有兩方面：1）Cu元素偏析到NiAl連續析出相中，加速了晶內NiAl相的連續析出，快速降低了基體的過飽和度，從而降低了晶界處不連續析出相的生長動力；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析出相的形核動力。

文獻鏈接：

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7000系鋁合金激光焊接組織性能的影響

隨著輕量化和節能減排的要求，鋁作為一種有吸引力的輕質結構材料，在許多與交通相關的領域得到了廣泛應用。變形鋁合金根據其化學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械性能取決于成形過程中引入的固溶強化。相反，熱處理和時效處理是提高沉淀強化合金強度的主要途徑。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飽和固溶體。

AA-7075等沉淀強化鋁合金的特點是固溶態強度相對較低，延展性較好。因此，回火為直接進行時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一步加工。然而，在激光束焊接中，集中的熱輸入會導致熱影響區（HAZ）的組織發生有害的變化，這種變化通常只能通過后續的熱處理才能逆轉。

近日，來自德國的卡塞爾大學的一項最新研究表明，通過不同的熱處理策略和聲波疊加激光束焊接工藝優化提升AA-7075焊接接頭的組織和力學性能，從而獲得比傳統AA-7075焊接接頭更高的強度。

文獻鏈接：

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/

熱軋變形量對高鈦耐磨鋼組織與力學性能的影響

鋼鐵研究總院研究者最新發表在金屬學報上的文章《熱軋變形量對高鈦耐磨鋼組織與力學性能的影響》，通過不同總壓縮比的實驗室熱軋、微觀組織和析出相表征及力學性能測試等實驗，研究了熱軋變形量對經過軋后熱處理的高鈦耐磨鋼組織和力學性能的影響。

隨著軋制變形量的增大，高鈦耐磨鋼的強度、韌性和塑性均有提高：屈服強度、抗拉強度和總延伸率從壓縮比為3:1時的1202 MPa、1437 MPa和7.4%分別提高到壓縮比為30:1時的1311 MPa、1484 MPa和9.9%，而室溫Charpy沖擊功從壓縮比為3:1時的11J大幅提高到壓縮比為10∶1時的24J。隨著軋制變形量增大，鑄態析出的微米級網狀TiC逐漸細化和均勻化，同時尺寸小于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。

通過對高鈦耐磨鋼各種強化方式的定量分析表明，采用沉淀強化和位錯強化均方根疊加方式計算得到的高鈦耐磨鋼屈服強度與實測值吻合較好，高鈦耐磨鋼屈服強度隨軋制壓縮比增加而上升主要是由于晶界強化和沉淀強化作用增加所致。高鈦耐磨鋼的韌性和塑性隨強度的提高不降反升，主要是因為大顆粒TiC在軋制變形過程中發生細化和均勻化。