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2019-07-11 10:09 作者:wlgc0812 来源:有色技术平台 浏览:

摘要:金属材料发Nature&science等顶刊:卢柯、单智伟等发现的极大提升力性的“超级”机制...

金属材料发Nature&science等顶刊:卢柯、单智伟等发现的极大提升力性的“超级”机制

 

众所周知,金属材料有四种强化机制,分别是细晶强化,变形强化,第二相粒子强化以及固溶强化。这四种强化方式仅就宏观范围内的大致划分,若要细细188bet手机版,从根本上理解清楚金属材料的强化机制,则必须深入到极微观的世界里,如位错、孪晶和纳米级颗粒等。当在微观世界表征金属材料时,往往会发现一些不同寻常

 

的强化机制,它们可以数量级般的提升金属材料的力学性能。这些机制不同于宏观范围的一般强化,而是有其特殊性。目前为止,国内已经有很多科学家在微观世界发现了特殊机制,并将其188bet手机版成果发表于Nature和science等顶刊。今天笔者就带大家解读这些“超级机制”,希望能相互促进科研friends们的交流并启发其灵感。

1.利用位错和孪晶在微观尺度调控材料力性

1)南京理工大学陈光教授发现PST TiAl单晶在塑性变形过程中形成纳米孪晶,是其拥有超高强塑性的根本原因。

在2016年,南京理工大学陈光教授制备了PST TiAl单晶,成功将其使用温度提高了几个数量级,又同时获得了几乎所有力学性能(强度、塑性以及蠕变)的极大提升。该成果已发表在国际顶刊Nature Materials上。如Figure1 所示,该单晶在室温拉伸的塑性变形过程中,体内形成三种位错,分别是螺型位错和超位错。在位错运动的过程中, 超位错又可以分解成两个位错,同时伴随孪晶的生成。这种机制会导致材料塑性的提升。从Figure1中又可以看出来,PST TiAl单晶在塑性变形过程中又可以形成纳米孪晶,其厚度大约在10nm之间。纳米孪晶的形核是由分位错环促成的,会阻止位错的运动,但又无加工硬化效应,所以在极大提升材料强度的同时,又能提高塑性。该188bet手机版进一步发现,该单晶在900℃时仍然能够维持与室温几乎相同的强度,同时塑性提高到了8.1%。

Figure1 PST TiAl单晶拉伸后在透射电镜下的微观组织,可以看出变形后孪晶和位错同时出现[1]

    

2)中科院金属所卢磊报道了纳米孪晶铜中的“项链状”位错导致疲劳试验中出现与历史无关的、稳定的新循环行为

该188bet手机版利用直流电沉积法制备出了具有一致取向的纳米孪晶的纯铜样品,纳米孪晶的厚度大约在63~79nm之间。通过单轴对称拉压循环变形试验发现这种样品出现了与历史无关的、稳定的、独一无二的新型循环效应,其循环行为与应变幅度和循环次数无关。为了解释这种循环变形行为,他们采用原子模拟加透射实验的方法,发现在塑性变形过程中,彼此高度相关的位错交错分布在孪晶界之间,即形成了项链状位错。这种位错集体在孪晶界之间往复运动,导致循环后样品微观结构整体呈现之字形(见Figure 2)。在项链状位错的形成过程中,滑移穿过多个孪晶界,其滑移长度在10μm以内,在单个孪晶内部,滑移线彼此平行,即滑移的滑移面与孪晶界成某一角度。基于双Thompson四面体原则,模拟构造出的项链状位错由一系列单滑移的穿线位错片段组成,这些片段在相邻孪晶界上的倾斜滑移面上运动,同时孪晶界上出现了分为错,滑移面和孪晶面的交叉处又有压杆位错。正是这种位错的的特殊组态,使得在循环变形过程中相邻的孪晶界上出现塑性变形又无应力集中。项链状位错的往复运动又保留了滑移和孪晶界的连贯和稳定性。

Figure 2 纳米孪晶铜的变型特征:

a.b晶粒G1中迷你的变形方式;c.d 分别为对纳米铜进行扫描和共聚焦激光扫描显微镜观察的组织形态[2]

Figure 3 为利用透射电镜观察到的项链状位错得组态,可以看到相互平行的位错位于云纹上,与原子模拟的结果一致,同时可以看到位错的Burgers矢量与孪晶矢量平行

Figure 3 变形纳米铜中“项链状”位错的形貌[2]

 

3)香港大学的黄明欣博士与北京科技大学的罗海文教授通过引入大量的可移动位错,成功地证明了提高位错密度能够同时提高材料强度和延展性。

该文采用成本较低廉的中锰钢,采用多道次轧制+回火的方式得到了亚稳奥氏体镶嵌在马氏体基体上的双态微观组织,作者将这种钢命名为D&P钢。马氏体相变在材料内部引入了大量的位错,同时生成的马氏体呈针状,组织比较细小,某些针状体内部还含有孪晶出现。而奥氏体的形状也非常不均匀,具体可以分为粗晶片、细晶片和颗粒状奥氏体。由于材料经过多道次的塑性变形,内部具有极高的位错密度,而后面的回火并不会消除位错,仅仅使得位错被固溶元素分成不同的区域。大量的位错堆积于晶界处并在变形时相互作用,使得材料的屈服强度提高。但是按照常理来说,位错的交互作用会使得材料塑性降低,但是新型的D&P钢的塑性不降反升。这主要归功于以下几个原因:(1)拉伸前的材料经过冷轧,位错重新排列转变形成了许多个位错胞,在拉伸时,位错胞的可动和不可动螺型位错发生滑动,部分位错会被释放,导致晶界解析崩塌,在外力作用下原位错胞被拉长,位错的滑动与释放是塑性提高的一个重要原因。(2)微观结构中大的奥氏体晶粒阻碍了滑动的马氏体界面,从而起到稳定作用,反过来位错密度较高的马氏体又保护了奥氏体,在加上合金元素,例如C等对位错区的划分,这样位错在变形过程中处于一种相对稳定的状态,提高了塑性。(3)连续的转变诱发效应,例如残余应力在两种组织之间的相互过渡能够减小局部应变集中,提供动态应变分区,从而提升了塑性。(4)孪晶的出现也会导致塑性的提升(figure 4)。



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(责任编辑:wlgc0812)


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