西安交大&南洋理工《Acta materialia》：鈦基復(fù)合材料強(qiáng)度-塑性-韌性的同時提高！
2023-05-26 11:55:11
作者： 材料學(xué)網(wǎng) 來源： 材料學(xué)網(wǎng)
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導(dǎo)讀：在鈦基復(fù)合材料（TMC）中，增強(qiáng)相的添加通常會提高強(qiáng)度和比剛度，但會降低延展性和斷裂韌性。這主要是由于增強(qiáng)相顆粒常位于晶界（GB）處。本研究中，當(dāng)微米級增強(qiáng)相主要存在于晶粒內(nèi)時，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度-塑性-斷裂起始韌性的同時提高。本文采用粉末冶金技術(shù)制備了TMC（其中大部分一硼化鈦（TiB）顆粒存在于晶粒內(nèi)），并對其微觀組織、室溫拉伸性能、I型斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究。間斷拉伸試驗(yàn)表明，晶粒內(nèi)的TiB顆粒通過抵抗平面滑移來提高應(yīng)變硬化率，而位于晶界處的TiB顆粒會過早破裂并損害材料的延展性和韌性。晶間和晶內(nèi)TiB在對于TMC整體力學(xué)性能方面所起的作用顯著不同，突出了微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，尤其是在增強(qiáng)相顆粒相對于晶界的位置。鈦及鈦合金因其高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性能和抗氧化性能等，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、化工、海洋及生物醫(yī)用領(lǐng)域等。為進(jìn)一步提高其比強(qiáng)度和剛度，以陶瓷相為增強(qiáng)體的鈦基復(fù)合材料得到了廣泛關(guān)注。其中，TiB因其高彈性模量（~450–550 GPa）、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，以及與Ti有相似的熱膨脹系數(shù)和良好的界面等，是鈦基復(fù)合材料中采用最廣的增強(qiáng)相之一。由于B在鈦中固溶度極低（<0.02 wt.%），微量B的添加便會在鈦中生成TiB增強(qiáng)相。在鈦合金的制備過程中，添加微量的B（~0.1 wt.%）不僅可以提高強(qiáng)度等性能，還能通過顯著細(xì)化晶粒來實(shí)現(xiàn)降低產(chǎn)品成本的效果。但由于TiB在塑性變形過程中容易開裂，TiB的引入往往會導(dǎo)致復(fù)合材料塑性和斷裂韌性的大幅降低。盡管已有大量的研究針對鈦基復(fù)合材料的塑性進(jìn)行改善，例如調(diào)控TiB的分布或是降低TiB尺寸等，絕大部分鈦基復(fù)合材料的塑性仍低于無TiB添加的基體合金。在本研究中，通過粉末冶金法制備了絕大部分微米級TiB（~80%）均位于鈦晶粒內(nèi)部的鈦基復(fù)合材料。在TiB體積分?jǐn)?shù)為1%的鈦基復(fù)合材料中，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度、塑性和斷裂起始韌性（KQ）的同時增強(qiáng)。相對于無TiB添加的純鈦試樣，1 vol.%TiB/Ti復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度（σy）、斷裂延伸率（ef）和斷裂起始韌性（KQ）分別提高了93.9%、35.0%和67.0%。討論了TiB位置的重要性，例如位于晶內(nèi)的IG-TiB在以平面滑移為主的α-Ti基體中，提高基體的加工硬化能力等。此外，對鈦基復(fù)合材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究。西安交通大學(xué)高義民教授團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)成果以題為Simultaneous Enhancements of Strength, Ductility, and Toughness in a TiB Reinforced Titanium Matrix Composite發(fā)表在期刊Acta Materialia上。第一作者為西安交大的李強(qiáng)博士生，通訊作者為南洋理工大學(xué)的黃升博士，論文共同作者還包括南洋理工大學(xué)的趙亞凱博士和Upadrasta Ramamurty教授。鏈接為：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118995表1. TMCs的化學(xué)成分、理論TiB體積分?jǐn)?shù)以及用于制備的AlB2添加量圖2. 有代表性的光鏡照片：（a）C0試樣，（b）C1試樣，（c）C2試樣，（d）C4試樣。（e）隨總TiB體積分?jǐn)?shù)變化的GB-TiB和IG-TiB體積分?jǐn)?shù)。（位于晶界的GB-TiB和位于晶內(nèi)的IG-TiB分別用藍(lán)色和紅色突出顯示） 圖3. C0-C4試樣的室溫拉伸行為：（a）工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，（b）Kocks-Mecking曲線。為了深入了解在本研究的TMC（尤其是C1樣品）中通過實(shí)驗(yàn)觀察到的強(qiáng)度和塑性同時增強(qiáng)的微觀機(jī)制，進(jìn)行了間斷單軸拉伸試驗(yàn)。圖9顯示了當(dāng)應(yīng)變至頸縮附近(ε~8.5%)時，C1樣品中的GB-TiB和IG-TiB存在顯著差異。一些GB-TiB在此階段發(fā)生破碎（如圖 9(b) 所示），表明它們在限制塑性方面的作用。相比之下，所有可觀察到的IG-TiB都保持完好，并改變了局部的滑移跡線，如圖 9 (c) 和 9(d) 所示。已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，平面滑移主導(dǎo)了CP-Ti的變形行為，導(dǎo)致晶界處的應(yīng)變集中，進(jìn)而導(dǎo)致可忽略的應(yīng)變硬化 [59-61]。在C1中，如圖9所示，位錯無法切過晶內(nèi)的IG-TiB，加劇了顆粒附近的位錯塞積。此外，在IG-TiB顆粒附近發(fā)現(xiàn)波浪狀滑移跡線，造成與其他滑移跡線的相互作用；這個過程促進(jìn)了位錯間的相互作用，并提高了塑性。圖9. C1 樣品表面（自由表面）在拉伸測試至約 8.5% 應(yīng)變（接近頸縮）后的掃描電子顯微照片：(a)低倍SEM， (b) 高倍SEM照片顯示GB-TiB ， (c–d)高倍SEM照片顯示 IG-TiB。圖10. C1 樣品表面（自由表面）在各種應(yīng)變下進(jìn)行間斷拉伸試驗(yàn)時的 SEM 分析：(a) ~7.5%、(b) ~8.5%、(c) ~15% 和 (d) 斷裂后。(e) C1 的代表性間斷拉伸曲線。總而言之，GB-TiB的斷裂主要發(fā)生在拉伸試樣頸縮之前，而IG-TiB和GB-TiB的共同斷裂導(dǎo)致樣品的斷裂。圖 11 為TMC中的頸縮和失效機(jī)制的示意圖。圖11. 表明TiB的斷裂主導(dǎo)試樣的（a）頸縮和（c）斷裂開始的示意圖。（b）eu隨GB-TiB體積分?jǐn)?shù)變化，（d）ef隨總TiB體積分?jǐn)?shù)的變化。在 SEM 和 EBSD 分析（圖 12）的幫助下，對 IG-TiB 對塑性變形行為進(jìn)行了進(jìn)一步研究。結(jié)果表明，IG-TiBs通過增強(qiáng)加工硬化率改善了均勻延伸率、斷裂延伸率和加工硬化能力。對兩個相似晶粒（大小、方向和位置均相似）進(jìn)行分析，Grain 2包含大量IG-TiB（圖12(b-d))，而Grain 1中則沒有（圖12(e-g)）。由Grain 1的SEM圖可知，滑移跡線顯示出單系滑移特征，與通常報(bào)道的α-Ti相同 [60]。KAM圖顯示Grain 1中的應(yīng)變主要集中于晶界（圖12(d)）。相反，在Grain 2的SEM圖中，觀察到雙系/多系滑移痕跡。此外，由KAM可知，除了晶界處的應(yīng)變集中，Grain 2中可見明顯更多的應(yīng)變積累，分布于整個Grain 2。IG-TiB可作為位錯沿滑移面滑動的阻礙，更有利于顆粒附近的二次滑移系開動。IG-TiB附近的局部應(yīng)變集中也促進(jìn)了局部位錯間的相互作用，利于提高應(yīng)變硬化 [27]。圖12. 拉伸應(yīng)變至~8.5%（接近頸縮）后C1樣品的變形機(jī)制分析。（a）晶粒取向圖（b，e）Grain 1和Grain 2的SEM圖像，（c，f）Grain 1和Grain 2的相圖，（d，g）Grain 1和Grain 2的KAM圖。通過使用AlB2為前驅(qū)體，采用粉末冶金技術(shù)制備了TiB體積分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、4%的TiB/Ti復(fù)合材料，其中TiB為微米尺寸，且大部分TiB分布于晶內(nèi)。對制備的鈦基復(fù)合材料的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了表征，以下為本研究的主要研究結(jié)果：（1）1 vol.% TiB的添加可使α-Ti的晶粒尺寸降低約80%；繼續(xù)提高TiB體積分?jǐn)?shù)對晶粒尺寸影響很小。雖然晶間和晶內(nèi) TiB 含量都隨著整體增強(qiáng)材料含量的增加而增加，但晶界處 TiB 顆粒的數(shù)量分?jǐn)?shù)增加得更快。（2）與未增強(qiáng)合金相比，含 1 vol.% TiB 的 TMC 實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度、延展性和斷裂起始韌性的同時顯著增強(qiáng)。進(jìn)一步添加 TiB 在強(qiáng)度增強(qiáng)方面產(chǎn)生了遞減的回報(bào)，同時使 ef 和 KQ 都惡化。但無論如何，所有具有TiB增強(qiáng)相的樣品都表現(xiàn)出比 CP-Ti 更高的 KQ 值。（3）間斷單軸拉伸試驗(yàn)表明，GB-TiB和IG-TiB在TMC變形過程中所起的作用存在顯著差異。雖然GB-TiB剛好在頸縮點(diǎn)之前開始斷裂，表明它們在限制延展性方面的作用，但大多數(shù)IG-TiB在樣品斷裂之前保持完好。IG-TiB作為位錯的障礙，并在此過程中提高Ti基體的應(yīng)變硬化率。（4）在Ti中添加1vol.%的TiB后觀察到的強(qiáng)度和塑性同時增加主要是由于，晶粒內(nèi)IG-TiB的存在不僅強(qiáng)化了基體，而且改善了其應(yīng)變硬化行為。
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