東北大學(xué)李小武團隊《JMST》:短程有序?qū)CC合金低周疲勞壽命改善的關(guān)鍵影響
2023-09-19 14:18:33
作者:張炎杰, 李小武 來源: 材料科學(xué)與工程
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本文選取純Ni和低固溶強化高層錯能Ni-xCr合金(x = 10at.%、20at.%、40at.%)作為研究對象,在室溫下進行恒應(yīng)變幅控制的拉-壓對稱疲勞實驗,系統(tǒng)研究了短程有序(SRO)對Ni-Cr合金循環(huán)硬化/軟化行為、Masing行為以及疲勞壽命的影響規(guī)律及其微觀機理。此外,針對低固溶強化高層錯能面心立方(FCC)合金,提出了一個基于總滯回能的疲勞壽命預(yù)測模型,并以此解釋了短程有序與合金低周疲勞性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。SRO結(jié)構(gòu)作為影響FCC金屬材料塑性變形機制的關(guān)鍵因素之一,近些年來已成為研究者們嘗試改善金屬材料力學(xué)性能的關(guān)注點。事實上,對大多數(shù)FCC合金而言,溶質(zhì)元素的添加不僅可以引入更多的SRO結(jié)構(gòu),還可能降低層錯能,同時提高溶質(zhì)原子與位錯之間的摩擦應(yīng)力,使得研究SRO單方面改善材料力學(xué)性能的具體作用機制變得困難。因此,為了盡可能排除層錯能與摩擦應(yīng)力的影響,進一步豐富與完善人們對SRO影響FCC合金材料循環(huán)塑性變形機制的認知,本工作選擇Ni-Cr單相合金作為研究對象進行恒應(yīng)變幅控制下的對稱拉-壓疲勞實驗,該合金的層錯能較高(≥75 mJ/m2),且屬于低固溶強化合金,即摩擦應(yīng)力和層錯能隨Cr含量的增加基本不變,而短程有序度隨Cr含量增加逐漸提高。本工作旨在澄清FCC合金中SRO對其疲勞變形行為及其微觀變形機制的關(guān)鍵影響,為FCC合金材料的疲勞性能優(yōu)化提供新的思路。1)對于低固溶強化Ni-Cr合金,SRO結(jié)構(gòu)的增加可以使疲勞裂紋萌生方式由沿晶開裂轉(zhuǎn)變?yōu)榛茙ч_裂,抑制疲勞裂紋擴展,從而顯著提高合金的疲勞壽命。2)Ni-40at.%Cr合金在不同應(yīng)變幅下半壽命處的穩(wěn)定滯后回線表現(xiàn)出明顯的Masing行為,這有別于之前關(guān)于高層錯能FCC合金一般呈現(xiàn)non-Masing行為的傳統(tǒng)認識。3)Ni-10at.%Cr和Ni-20at.%Cr合金在循環(huán)變形過程中短程有序結(jié)構(gòu)被逐漸破環(huán),位錯結(jié)構(gòu)發(fā)生了由平面滑移帶向位錯胞或位錯纏結(jié)的轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致兩種合金在低應(yīng)變幅下出現(xiàn)二次循環(huán)硬化現(xiàn)象。4)本文提出的總滯回能壽命預(yù)測模型可對Ni-Cr合金的疲勞壽命進行較好的預(yù)測。
本文系統(tǒng)研究了SRO對低固溶強化高層錯能Ni-Cr合金在不同總應(yīng)變幅下的拉-壓低周疲勞行為的影響。結(jié)果表明,Ni-Cr合金的疲勞壽命隨SRO結(jié)構(gòu)的增加而顯著提升。SRO結(jié)構(gòu)的引入不僅使疲勞裂紋萌生方式由沿晶開裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼗茙ч_裂,而且Ni-Cr合金的穩(wěn)定滯后回線也表現(xiàn)出由non-Masing特性到Masing特性的轉(zhuǎn)變。此外,利用總滯回能模型可對Ni-Cr合金的疲勞壽命進行較好的預(yù)測。隨著Cr含量增加,SRO引起的位錯平面滑移能夠提高Ni-Cr合金的疲勞裂紋擴展阻力;隨著Cr含量進一步增至40at.%,大量形變孿晶的形成又能有效抑制疲勞損傷的局部集中,推遲疲勞裂紋萌生。總之,通過提高SRO結(jié)構(gòu)含量有望改善FCC合金的拉-壓低周疲勞性能。
東北大學(xué)李小武教授課題組長期從事金屬材料的強韌化、疲勞與斷裂以及生物仿生材料微結(jié)構(gòu)與性能等研究工作。李小武現(xiàn)任東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料物理與化學(xué)系系主任、教授、博士生導(dǎo)師,“材料物理”國家一流本科專業(yè)負責(zé)人,中國材料研究學(xué)會發(fā)展咨詢委員會委員、中國材料研究學(xué)會疲勞分會理事、JMST和Metals等國際SCI雜志編委。曾任日本大阪大學(xué)JSPS特別研究員、德國亞琛工業(yè)大學(xué)“洪堡”學(xué)者,入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才、遼寧省百千萬人才工程百人層次、沈陽市十大杰出青年創(chuàng)新人才等。李小武教授先后承擔(dān)30余項科研項目的研究(包括7項國家自然科學(xué)基金面上項目),在包括Acta Mater., Acta Biomater., Scripta Mater., PNAS, ACS AMI, JPCL, JMST, Corros. Sci., J. Am. Ceram. Soc.等知名刊物上發(fā)表論文300余篇(其中SCI論文220余篇)。
東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料物理與化學(xué)系(材料物理專業(yè))系始建于1958年的東北工學(xué)院金屬物理專業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1986年,經(jīng)國務(wù)院學(xué)位委員會批準(zhǔn)與清華大學(xué)同批成為材料物理與化學(xué)博士點,是當(dāng)時全國高等院校中三個材料物理與化學(xué)博士學(xué)位授權(quán)學(xué)科之一,設(shè)有博士后流動站,2007被評為“國家重點學(xué)科”;2022年,材料物理專業(yè)入選“國家一流專業(yè)”。本專業(yè)主要研究方向包括:新材料研制與開發(fā)(包括超導(dǎo)材料、磁性材料、激光材料、新能源材料、生物材料等)、材料微結(jié)構(gòu)與性能、材料疲勞與斷裂、現(xiàn)代材料計算與設(shè)計等。本專業(yè)長期招聘相關(guān)研究領(lǐng)域的專任教師(教授、副教授、講師),面向海內(nèi)外誠邀各類人才加盟!聯(lián)系方式:李小武,E-mail: xwli@mail.neu.edu.cn。
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