金属所等非晶内生复合材料研究进展

撰稿: 金属研究所 发布时间:2020-07-29

  非晶内生β-Ti复合材料因具有较大的临界形成尺寸、优异的力学性能和释能特性,具有广阔的应用前景。如何针对应用目标实现组织结构与力学性能的有效调控是其难点。

  中国科学院金属研究所张龙副研究员、张海峰研究员等多年来在非晶内生β-Ti复合材料的形成理论、微观组织调控、力学行为等研究方面取得了重要进展。建立了该类非晶内生复合材料的“两相准平衡凝固理论”(Sci. Rep. 6 (2016) 19235),为调控这类非晶内生复合材料的微观组织提供了理论基础。发现凝固过程中过冷熔体对内生亚稳β-Ti相的负熵稳定效应,亚稳β相向α相的转变被抑制而倾向在内部析出ω相(Scripta Mater. 125 (2016) 19)。发现等温ω相析出可以显著提高内生β相的硬度和模量,并对非晶内生复合材料的力学性能有显著影响(Mater. Des. 133 (2017) 82)。基于“两相准平衡凝固理论”解释了Be元素倾向几乎完全固溶于非晶基体的原因(J. Mater. Sci. Technol. 33 (2017) 708)。“两相准平衡凝固理论”也为精确调控内生β相的(亚)稳定性提供了基础,在同一合金系把稳定的β相调控为能够发生形变诱发马氏体相变的亚稳β相(Mater. Sci. Eng. A 689 (2017) 404),并开发了内生β相具有典型的3种不同(亚)稳定性的非晶复合材料(J. Alloy. Compd. 708 (2017) 972)。在调控β-Ti相稳定性时,发现成分为Ti59.1Zr37Cu2.3Fe1.6铸态多晶合金的晶粒内部出现非晶相,基于非晶相的存在方式、分布特征和物理性质,提出了马氏体相变致固态非晶化机制以及“非晶马氏体”的概念(Nat. Commun. 9 (2018) 506)。基于“两相准平衡凝固理论”提出了从单相Ti基(或Zr基)非晶合金来开发非晶内生β-Ti(或β-Zr)复合材料的方法——“迭代法”(J. Alloy. Compd. 740 (2018) 639)。发现非晶复合材料的拉伸屈服强度对内生β相的亚稳定性非常敏感,基于Eshelby分析法将屈服强度与内生b相亚稳定性进行了关联(Scripta Mater. 173 (2019) 11)。系统研究了内生β相的尺寸大小、相稳定性、体积分数对非晶复合材料拉伸性能的影响规律,在此基础上开发出了兼具高形成能力、高屈服强度、较大拉伸塑性、超弹性和加工硬化能力的系列非晶内生复合材料(Acta Mater. 168 (2019) 24)。

  近日,张龙副研究员(第一作者)、中科院物理所孙保安研究员、硕士生颜廷毅、张海峰研究员(通讯作者)与国外合作者R.L. Narayan博士、U. Ramamurty教授和J. Eckert教授合作研究发现:当非晶内生复合材料中β-Ti相具有临界的亚稳定性时(即在拉伸载荷作用下内生β相既不能保持稳定也不会转变为α'或α"马氏体相),则非晶内生复合材料的应力-应变曲线上会出现明显的锯齿流变行为,见图1。这与之前报道的非晶内生复合材料的拉伸力学行为明显不同,而是类似于单相非晶合金在压缩载荷作用下的锯齿流变行为,并且该非晶内生复合材料在拉伸中的锯齿大小累积分布也服从类似的幂律分布规律。该非晶内生复合材料呈现剪切破坏模式,拉伸破坏后的微观组织中变形带同时贯穿了β-Ti枝晶和局域非晶基体,见图2。β-Ti枝晶中的变形带主要由ω-Ti相组成,厚度约为10nm,表明亚稳β相在变形过程中转变为了ω相。非晶内生复合材料的锯齿行为起源于这种新的塑性变形机制:非晶基体中剪切带与亚稳β-Ti枝晶中ω-Ti带的协同剪切机制。剪切带与ω-Ti带的协同剪切可以在单个枝晶的局域范围(数十微米)内引发剪切失稳,但协同剪切变形带会被周围不同晶体取向的β-Ti枝晶所抑制。剪切带/ω-Ti带的协同剪切不断被激发和抑制导致了非晶内生复合材料出现了拉伸锯齿行为。ω带的产生与协同剪切过程的高应变速率(可高达~103 s-1)有关,高应变速率激发1/2<111>β全位错,由于ω相的自由能相对于亚稳β相更低,全位错分解为两个1/12<111>β和一个1/3<111>β不全位错,实现β相到ω相转变,见图3。这种协同剪切机制与内生β相的亚稳定性密切相关。剪切带与ω带协同剪切机制的发现不仅丰富了非晶复合材料的变形机制,也为开发兼具拉伸塑性和剪切破坏方式的高释能非晶内生复合材料提供了理论基础。该工作近日以“非晶内生亚稳β-Ti复合材料中的协同剪切(Cooperative Shear in Bulk Metallic Glass Composites Containing Metastable β-Ti Dendrites)”为题发表在Physical Review Letters 125 (2020) 055501上。该研究工作得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、“兴辽英才计划”等项目的支持。

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  图1:非晶内生亚稳β-Ti复合材料的微观组织和拉伸应力-应变曲线

   

  图2:拉伸破坏后样品的微观组织,可见协同剪切的变形带贯穿枝晶与非晶基体

   

  图3:β到ω的相转变以及非晶内生复合材料中剪切带与ω-Ti带的协同剪切机制