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《Acta Materialia》金屬陶瓷熱-力耦合條件下的損傷機(jī)制獲進(jìn)展！

2021-01-07 10:39:36 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科學(xué)與工程分享至：

金屬陶瓷兼具陶瓷相的高硬度和粘結(jié)相的高韌性，被作為鉆頭、刀具材料廣泛應(yīng)用于海底勘探、盾構(gòu)機(jī)、金屬加工等關(guān)鍵工程領(lǐng)域。近年來，我國海洋開發(fā)、高端制造等重大工程逐步實(shí)施，苛刻環(huán)境（如高溫、磨損、侵蝕等）下的表面損傷與防護(hù)成為機(jī)械部件與材料在設(shè)計、制造和使用過程中的研究重點(diǎn)。金屬陶瓷在苛刻環(huán)境下服役時，由溫升、磨損等引起的熱-力耦合損傷是其失效的重要原因，亟需從原子、分子層次和熱力學(xué)與動力學(xué)基礎(chǔ)理論上認(rèn)識多因素耦合表面損傷機(jī)制，這同時是開發(fā)新一代環(huán)境適應(yīng)型金屬陶瓷材料的理論基礎(chǔ)。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(guān)研究報道，但對其在熱-力耦合苛刻服役條件下的化學(xué)成分及微結(jié)構(gòu)演變尚缺乏系統(tǒng)性研究。

近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)與理論計算相結(jié)合的方式系統(tǒng)地研究了金屬陶瓷在熱-力耦合條件下的宏觀磨損機(jī)制與微觀損傷機(jī)理。

該項(xiàng)研究工作采用粉末冶金真空負(fù)壓燒結(jié)的方法成功制備了包含碳化鈦陶瓷相和高錳鋼粘結(jié)相的新型輕質(zhì)金屬陶瓷雙相材料。研究人員發(fā)現(xiàn)，不同于傳統(tǒng)陶瓷材料，該金屬陶瓷存在一個表面損傷機(jī)制轉(zhuǎn)變的臨界溫度（～125℃）：低于此溫度，硬度主導(dǎo)材料的耐磨性能；高于此溫度，韌性成為影響材料磨損行為的關(guān)鍵因素。顯微光譜分析結(jié)合相圖計算CALPHAD結(jié)果表明，大氣條件下碳化物陶瓷相表面發(fā)生脫碳反應(yīng)造成硬度降低，磨損率升高；原位透射電鏡分析結(jié)合第一性原理計算結(jié)果進(jìn)一步表明，高溫條件下陶瓷相表面發(fā)生相變生成連續(xù)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(jī)制的轉(zhuǎn)變溫度，并通過理論計算闡明了微觀相變機(jī)理。

該研究工作以題為“Temperature-induced wear transition in ceramic-metal composites”的論文發(fā)表在Acta Materialia 205 （2021） 116545上，第一作者為婁明博士，通訊作者為常可可研究員、王立平研究員。本研究得到了國家自然科學(xué)基金（51971235），寧波市3315創(chuàng)新團(tuán)隊（2019A-18-C）和中科院人才計劃等項(xiàng)目的資助。

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圖1 金屬陶瓷熱-力耦合損傷的實(shí)驗(yàn)表征：（a）碳化鈦-高錳鋼在不同溫度、氣氛條件下的耐磨性能；（b）碳化鈦-高錳鋼的原位TEM磨損截面形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碳化鈦-高錳鋼存在～125℃的損傷機(jī)制轉(zhuǎn)變臨界溫度，材料在臨界溫度上下呈現(xiàn)出不同的表界面損傷形貌

圖2 理論計算闡明金屬陶瓷的微觀損傷機(jī)理：（a）相圖計算CALPHAD解釋碳化鈦相的脫碳機(jī)理；（b）基于Hamilton模型的剪切應(yīng)力場計算解釋碳化鈦-高錳鋼的協(xié)調(diào)變形性；（c）第一性原理計算預(yù)測碳化鈦相表面脫碳、氧化對力學(xué)性能的影響。計算結(jié)果表明低于臨界溫度，碳化鈦相表面氧化、脫碳，硬度下降；高于臨界溫度，碳化鈦相表面生成納米晶氧化膜，韌性增強(qiáng)