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東北大學(xué)發(fā)表頂刊綜述IF=31.56：超細(xì)晶金屬基納米復(fù)合材料的粉末冶金制備！

2021-03-23 10:31:28 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)微信公眾號(hào) 分享至：

近日，國(guó)際材料領(lǐng)域頂級(jí)綜述期刊《Progress in Materials Science》在線發(fā)表了東北大學(xué)材料學(xué)院的長(zhǎng)篇綜述論文“Ultrafine Grained Metals and Metal Matrix Nanocomposites Fabricated by Powder Processing and Thermomechanical Powder Consolidation”。論文影響因子IF=31.56！論文第一作者和通訊作者為張德良教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100796

近30年來(lái)，粉末加工和粉末固結(jié)已被廣泛應(yīng)用于制造先進(jìn)金屬和金屬基復(fù)合材料。本文主要的研究工作提供了一個(gè)概述作者的團(tuán)體在新西蘭懷卡托大學(xué)，中國(guó)上海交通大學(xué)和東北大學(xué)，作為示例來(lái)展示這個(gè)加工路線制造UFG金屬和金屬基納米復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和良好的拉伸延性的能力。這篇文章撰寫本文并提交發(fā)表，以慶祝Brian Cantor教授在加工和開發(fā)先進(jìn)金屬材料方面的卓越和開創(chuàng)性的研究成就，這些成就突出了金屬，非晶態(tài)和其他亞穩(wěn)態(tài)材料以及包括高分子量合金在內(nèi)的多組分高熵合金（HEA）凝固的異質(zhì)成核，這是由Cantor教授和他的同事首先發(fā)現(xiàn)的。

本文概述了作者的研究小組發(fā)表的大量研究工作。所制備樣品的微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能以及它們之間的相關(guān)性強(qiáng)烈表明，為了顯著提高拉伸屈服強(qiáng)度并保持總體良好的拉伸延展性，非常需要晶界強(qiáng)化和顆粒內(nèi)陶瓷（和其他硬質(zhì)）納米顆粒的協(xié)同作用。由異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)引入的硬區(qū)域和軟區(qū)域之間的額外邊界可以通過(guò)在軟區(qū)域中引起反應(yīng)力來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)材料的強(qiáng)度，而不會(huì)犧牲拉伸延展性。但是，這些邊界也會(huì)在硬區(qū)域中引起正向應(yīng)力，從而對(duì)它們產(chǎn)生減弱作用，因此需要通過(guò)將納米顆粒分散在硬區(qū)域中或通過(guò)其他方式進(jìn)行處理。

在研究和開發(fā)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的金屬和金屬基復(fù)合材料中，人們不斷追求更高的強(qiáng)度、良好的延展性、良好的斷裂韌性和良好的疲勞強(qiáng)度。開發(fā)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料的重要性是十分明顯的。

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圖1 （a）各種微觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)金屬材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)和（b）影響金屬材料拉伸延性的因素示意圖

圖2:由R1-Cu和R2-Cu粉在700℃粉末擠壓制備的R1-PCE700和R2-PCE7d的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

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圖3:（a） HE、（b） HE- 400ht和（c） HE- 700ht樣品及（d）其對(duì)應(yīng)色標(biāo) 的電子背散射衍射（EBSD）反極圖（IPF）對(duì)比圖。

圖4 納米晶Cu-5vol%Al203納米復(fù)合粉末熱擠壓的SPS制備的（a） SPSO、（b） SPS10和（c） SPS20樣品的EBSD IPF圖。保溫時(shí)間分別為0、10和20分鐘。

圖5 Cu5Nb700800和Cu5Nb900800樣品的NbC衍射斑所產(chǎn)生的透射電鏡（TEM）亮場(chǎng)圖像（a）和（c）以及相應(yīng)的暗場(chǎng)圖像（b）和（d）。（b）和（d）中的插入物顯示了相應(yīng)的選定區(qū)域的電子衍射圖形。

圖6 （a）擠壓態(tài)的UFG Cu-NbC納米復(fù)合材料棒和（b）和（c）分別在800℃和1000℃軋制的UFG Cu-NbC納米復(fù)合材料樣品的透射衍射（TKD） IPF顯微結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

圖7 （a）和（b）掃描電鏡背散射電子圖像，（c）和（d） TEM亮視場(chǎng)圖像（e）和（f） SAED模式（一），

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圖8 （a）和（b） TEM亮場(chǎng)（BF）和暗場(chǎng)（DF）圖像（插圖為SAED模式），

（c）機(jī)械研磨CoCrFeNiMn HEA粉，熱擠壓后，SPS法制備SPS + HE CoCrFeNiMn HEA樣品的XRD譜圖和（d） BESD逆極圖（IPF）圖像

圖9 （a）從Frank-Read位錯(cuò)源產(chǎn)生的GND堆積圖，在軟區(qū)產(chǎn)生背應(yīng)力，反過(guò)來(lái)又在硬區(qū)產(chǎn)生前向應(yīng)力。（b） GND在界面（區(qū)域邊界）附近堆積引起的GND密度梯度。（c）接觸面（區(qū)域邊界）附近GND堆積引起的應(yīng)變和正應(yīng)變梯度。

圖10 （a）加工硬化速率與真應(yīng)變的典型曲線，（b）闡明提高加工硬化能力的三種機(jī)制的示意圖，（c） TEM亮場(chǎng)圖像顯示由納米粒子固定的位錯(cuò)，（d） TEM亮場(chǎng)圖像顯示位錯(cuò)和（e）和（f）高分辨率TEM （HRTEM）和相應(yīng)的快速傅里葉反變換（FFT）圖像顯示了在孿晶界附近明顯的局部位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)，和（g） TEM亮視場(chǎng)圖像顯示的線程混亂固定納米顆粒

作者在此基礎(chǔ)上，提出了今后的研究方向。

（i）開發(fā)數(shù)學(xué)或數(shù)值模型，考慮位錯(cuò)與第二相納米粒子或析出相與晶界之間的相互作用，以預(yù)測(cè)UFG金屬和金屬基納米復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力。

（ii）研究這類材料的斷裂過(guò)程，揭示不同微觀結(jié)構(gòu)特征處和裂紋尖端前方的微孔是如何成核的

（iii）建立顆粒間鍵合強(qiáng)度與加工條件的相關(guān)性以及顆粒間鍵合強(qiáng)度對(duì)力學(xué)行為的影響。（iv）利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法分析粉末加工和熱機(jī)械粉末固結(jié)制備的UFG金屬及金屬基納米復(fù)合材料的大量力學(xué)性能和相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)，闡明在保證高屈服強(qiáng)度和流動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，抑制微孔的形核和聚結(jié)，延緩斷裂關(guān)鍵的微觀結(jié)構(gòu)因素。

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