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七校聯(lián)合發(fā)表金屬頂刊《Acta》：突破鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度-塑性權(quán)衡困境！

2022-11-04 14:18:15 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：在大多數(shù)工程材料中，強(qiáng)度-塑性權(quán)衡通常是不可避免的情況，也包括增強(qiáng)顆粒顯著降解的金屬基復(fù)合材料（MMC）塑性。為了應(yīng)對(duì)延性下降這一挑戰(zhàn)，本文在此提出了一種析出輔助界面調(diào)控（PAIT）機(jī)制，通過(guò)引入界面相（IP）來(lái)提高增強(qiáng)顆粒與基體界面凝聚力。為了實(shí)現(xiàn)這種 PAIT 機(jī)制，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)合傳統(tǒng)鑄造、攪拌摩擦加工(FSP)、熱擠壓和熱處理的生產(chǎn)工藝。用這種工藝制造的 TiB2/Al-Zn-Mg-Cu 復(fù)合材料顯示出更高的強(qiáng)度和塑性。在這個(gè)復(fù)合材料中，通過(guò)將高失配 TiB2/Al 界面轉(zhuǎn)化為低失配 TiB2/IP/Al 多界面（即三明治結(jié)構(gòu)），引入 Mg(Zn1.5Cu0.5) IP 來(lái)提高 TiB2/Al 界面的相干性和強(qiáng)度，有效地促進(jìn)了位錯(cuò)的增殖和隨后的位錯(cuò)湮滅從而導(dǎo)致更高的塑性。我們的研究目的是通過(guò)定制界面結(jié)構(gòu)來(lái)克服MMC的強(qiáng)度-塑性權(quán)衡，這可以深入了解高性能 MMC 的生產(chǎn)。

強(qiáng)度和塑性是金屬的兩個(gè)基本力學(xué)性能。然而，他們通常是相互排斥的，即強(qiáng)度的增加不可避免地以塑性為代價(jià)，反之亦然。因此，對(duì)于材料研究人員和工程師來(lái)說(shuō)，解決這種強(qiáng)度-塑性權(quán)衡難題是一個(gè)長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。隨著新型納米晶材料的興起，在過(guò)去的幾十年中已經(jīng)報(bào)道了許多成功的策略，例如：引入納米孿晶、梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)、薄片、分層缺陷和化學(xué)邊界成金屬。總的來(lái)說(shuō)，他們的共同點(diǎn)旨在通過(guò)有意識(shí)地提高加工硬化率以穩(wěn)定均勻的塑性變形產(chǎn)生異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。盡管取得了可喜的成果，但大多數(shù)之前所報(bào)道的納米材料是在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的，由于它們復(fù)雜的加工技術(shù)，成本通常會(huì)飆升，這限制了它們的工業(yè)應(yīng)用。

金屬基復(fù)合材料（MMC）將增強(qiáng)材料集成到金屬基體中，從而改善力學(xué)性能，尤其對(duì)于在高強(qiáng)度和楊氏模數(shù)是必要的。作為典型的納米級(jí)異質(zhì)體之一，陶瓷納米粒子（CNPs）和碳納米管（CNTs）已被廣泛用作增強(qiáng)材料并成功驗(yàn)證通過(guò)延緩塑料的不穩(wěn)定性可以提高加工硬化率。因此，至少在理論上，預(yù)計(jì) MMC 具有強(qiáng)大的潛力規(guī)避強(qiáng)度-塑性的權(quán)衡。此外，CNPs 和 CNTs 具有熱穩(wěn)定性，因?yàn)樵鰪?qiáng)復(fù)合材料和擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模是可能的，這使得這種材料更有吸引力。然而，目前復(fù)合材料的生產(chǎn)遇到了兩個(gè)限制其工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

第一個(gè)是難以將納米級(jí)增強(qiáng)材料均勻分散在金屬基體中，尤其是通過(guò)傳統(tǒng)鑄造。在金屬凝固的形核階段，由于具有吸引力的范德華力，引入的 CNP 傾向于在熔體中聚集。結(jié)果是在生長(zhǎng)過(guò)程中，這種納米尺寸的增強(qiáng)材料作為簇被拒絕到凝固前沿隨后在鑄件中沿晶界偏析。沿晶界的納米級(jí)增強(qiáng)簇會(huì)引起嚴(yán)重的應(yīng)力在成型過(guò)程或應(yīng)用過(guò)程中的濃度，這顯著降低了MMC的塑性。另一個(gè)問(wèn)題是界面共格率低，即使在鋼筋和金屬基體之間的分布增強(qiáng)材料可以分散和均勻化，這也會(huì)削弱粘合強(qiáng)度。由于傳統(tǒng)的 CNP/金屬界面不連貫，滑動(dòng)位錯(cuò)很容易被捕獲并堆積在塑性變形過(guò)程中的界面，引起應(yīng)力集中。錯(cuò)位堆積也存在于隨后的錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)和增殖中，導(dǎo)致應(yīng)變局部化和塑性不穩(wěn)定，這會(huì)降低塑性。

在此，法國(guó)里爾大學(xué)、上海交通大學(xué)、中南大學(xué)等國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者為了解決上述強(qiáng)度-塑性權(quán)衡問(wèn)題，增強(qiáng)分散CNPs與基體的界面一致性變得至關(guān)重要。在這里，他們展示一種新的設(shè)計(jì)策略，包括三步微觀(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程，以制造具有優(yōu)異強(qiáng)度和塑性平衡的鋁基復(fù)合材料。第一步是將CNP原位引入Al基體，獲得“純凈”的半共格CNP/Al 界面，這有助于隨后的界面沉淀。第二步，他們進(jìn)行了塑料變形以使高密度CNP均勻分散在Al晶粒內(nèi)。終于實(shí)現(xiàn)了這個(gè)通過(guò)熱處理將初始的高失配 CNP/Al 界面轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)沉淀輔助界面剪裁 (PAIT) 的 CNP/界面 (IP)/Al 多界面進(jìn)一步增強(qiáng)CNP / Al相干性的機(jī)制。為了驗(yàn)證這個(gè)設(shè)計(jì)策略，我們選擇并制造了TiB2納米粒子增強(qiáng)的Al-Zn-Mg-Cu（7075Al）基復(fù)合材料（以下稱(chēng)為 TiB2/7075Al）作為示例材料，因?yàn)?TiB2 是一種用于鑄造鋁合金和鑄錠的常見(jiàn)的晶粒細(xì)化劑。

相關(guān)研究成果以題“Break through the strength-ductility trade-off dilemma in aluminum matrix composites via precipitation-assisted interface tailoring”發(fā)表在期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118470

圖1

7075Al-PA 和 TiB2/7075Al-PA 樣品的晶粒結(jié)構(gòu)：（a）和（b）分別重建了7075Al-PA 和 TiB2/7075Al-PA 樣品的 3D 反極圖；(c-e) (a) 中 C、D 和 E 截面的相應(yīng)晶粒度分布；(f-h) 對(duì)應(yīng)(b) 中 F、G 和 H 截面的晶粒度分布；(a) 和 (b) 中的 ED、LT 和 ST分別表示擠壓、長(zhǎng)橫向和短橫向。

TiB2/IP/Al多接口由于在設(shè)計(jì)中引入IP而形成TiB2/7075Al 復(fù)合材料，采用傳統(tǒng)和可升級(jí)的加工工藝，包括鑄造、FSP、PA 熱擠壓。該IP被確定為 Mg(Zn1.5Cu0.5) 相。

圖2

（a-c）TiB2/7075Al-WQ和(d-i) TiB2顆粒在TiB2/7075Al-WQ中的分布和形貌TiB2/7075Al-PA 樣品：（a-b） TEM 明場(chǎng)和 STEM-HAADF 圖像顯示iB2納米顆粒均勻分散在晶粒內(nèi)部；（c）對(duì)應(yīng)的 EDS 圖(b)的Ti元素；（d-e）顯示 TiB2 均勻分散的 TEM 明場(chǎng)圖像TiB2/7075Al-PA 樣品晶粒內(nèi)部的納米顆粒；（f-i）相應(yīng)的 EDS(e)的Ti、Zn、Mg和Cu元素圖；（j-n）放大的 STEM-HAADF 圖像和（e）區(qū)域7中Ti，Zn，Mg和Cu元素的相應(yīng)EDS圖。界面在 TiB2/7075Al-PA 樣品中觀(guān)察到沉淀現(xiàn)象，其中一些是由編號(hào)為 1-7 的白色虛線(xiàn)圓圈表示。請(qǐng)注意，高放大倍率是必要的，揭示了界面區(qū)域中的銅富集，具有幾納米尺寸的微小界面，因?yàn)镸g(Zn1.5Cu0.5)界面中Cu含量遠(yuǎn)低于Zn和Mg。

圖3

TiB2/7075Al-PA中的界面析出現(xiàn)象及IP識(shí)別樣品：（a）顯示TiB2/IP/Al三明治結(jié)構(gòu)的STEM-HAADF i圖像;（b）快速傅里葉（a）中紅色區(qū)域 A 的 IP 的變換（FFT）;（c）和（d）反高頻（IFFT）知識(shí)產(chǎn)權(quán)圖像（a）中的紅色區(qū)域A，使用不同的反射對(duì)在相應(yīng)的FFT模式中選擇插圖。

圖4

TiB2/7075Al-PA樣品中析出物的STEM-HAADF圖像：（a-b）板狀GP區(qū)域和矩形 η' 相；（c-e）（b）中 A、B、C 區(qū)域的相應(yīng) FFT 圖像。這里A，B和C分別代表Al基體、η'相和GP區(qū)。

TiB2/IP/Al多界面的界面相干性和界面強(qiáng)度與 MMC 中的傳統(tǒng) TiB2/Al 界面相比明顯增強(qiáng)。原TiB2/Al與棱柱形 {0-10}TiB2 平行的界面刻面顯示出 38.03% 的高度錯(cuò)配，而新形成的TiB2/IP接口(01-10)TiB2// (11-28)IP 和 IP/Al 接口 (11-24)IP // (11-1)Al 顯示低得多的失配值分別為 2.94 % 和 0.08 %。

圖5

代表性TiB2/Al界面和TiB2/Mg(Zn1.5Cu0.5)/Al的原子結(jié)構(gòu)顯示界面相干性演變的多界面。高分辨率 STEM-HAADF（a） TiB2/Al 界面平行于棱柱形{0-10}面和（c）TiB2/Mg(Zn1.5Cu0.5)/Al多界面(01-10)TiB2// (11-28)IP 和 (11-24)IP // (11 -1)Al; （b）和（d）分別（a）和（c）的相應(yīng)IFFT圖像，以突出界面不匹配錯(cuò)位和連貫性。投影軸為 [2-1-10]TiB2// [101]Al 和 [1-100]IP // [2-1-10]TiB2// [101]Al。

圖 6

TiB2/Al 界面的其余部分和 TiB2/Mg(Zn1.5Cu0.5)/Al 多界面的原子結(jié)構(gòu)顯示了界面相干性的演變。高分辨率 STEM-HAADF 圖像TiB2/Al 界面平行于（a）的基面 {0001} 和（c）錐體 {01-11} 面納米粒子；（b）和（d）分別是（a）和（c）的對(duì)應(yīng) IFFT 圖像，突出界面錯(cuò)配位錯(cuò)。投影方向?yàn)閇2-1-10]TiB2// [101]Al。高的TiB2/Mg(Zn1.5Cu0.5)/Al 多界面的分辨率 STEM-HAADF 圖像，包括IP/Al 接口 (0008)IP // (020)Al, (11-2 0)IP 3°從(20-2)Al和TiB2/IP 接口 (01-11)TiB2//(0008)IP；（f），（g）和（h）是變焦區(qū) f，g 和 h 對(duì)應(yīng)的 IFFT 圖像，以此來(lái)突出界面配位錯(cuò)。投影軸為 [101]Al // [1-100]IP // [2-1-10]TiB2

圖 7

力學(xué)性能和相應(yīng)的斷口形貌：（a）室溫TiB2/7075Al-WQ 和 TiB2/7075Al-PA 復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和商業(yè) AA7075 鋁合金。屈服強(qiáng)度的開(kāi)始和均勻伸長(zhǎng)的結(jié)束是分別用圓圈和空心方塊標(biāo)記；（b）屈服應(yīng)力與均勻應(yīng)力的總結(jié)各種鋁材料的伸長(zhǎng)率。紅色虛線(xiàn)近似代表強(qiáng)度-塑性的邊界；（c-d）斷裂207075Al-PA 和 TiB2/7075Al-PA 樣品的外觀(guān)，（c）和（d）中的插圖是對(duì)應(yīng)的高倍圖像。

設(shè)計(jì)的 TiB2/7075Al-PA 表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和塑性組合（屈服應(yīng)力~ 610 MPa；均勻伸長(zhǎng)率~11.5%）由于 PAIT 機(jī)制，它在大多數(shù)可用的鋁基材料中十分突出。由于IP的引入，接口強(qiáng)度TiB2/IP/Al 多界面的數(shù)量增加，導(dǎo)致約5倍的承重與僅含 TiB2/Al 的傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，強(qiáng)化了增量界面。

圖 8

（a）減去屈服應(yīng)力后加工硬化率隨流變應(yīng)力的變化TiB2/7075Al-WQ，（b） 7075Al-PA 和 TiB2/7075-PA 樣品。

圖 9

沿匹配方向的失配和匹配間失配的計(jì)算值使用 E2EM 模型在 Al、TiB2 和 IP 之間的平面。

圖 10

（a）不同 TiB2/Al 和 TiB2/IP/Al 接口的 DFT 寬松接口模型（案例）第1-6段）;（b）案例1-6的附著力（Wad）計(jì)算結(jié)果（數(shù)據(jù)列于表S1），以及（c）Al-X二聚體之間的相互作用。

圖 11

STEM-HAADF 圖像顯示了 TiB2/7075Al-WQ 和 TiB2/7075Al PA 樣品在 1.5% 拉伸應(yīng)變后的位錯(cuò)：（a）TiB2/7075Al-WQ 樣品；（b）TiB2/7075Al-PA 樣品；（c）TiB2/7075Al-PA樣品的TiB2/IP/Al夾層結(jié)構(gòu)；（d-i）六個(gè) A 的 IFFT 圖像，（c）中的 B、C、D、E 和 F 紅色區(qū)域，在相應(yīng)的 FFT 模式中選擇反射對(duì)插圖。（a）和（b）中的白色箭頭是 Orowan 環(huán)。

高共格的 TiB2/IP/Al 界面改變了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的行為和增殖。就 Orowan 環(huán)而言，在變形過(guò)程中，更多位錯(cuò)存儲(chǔ)在此類(lèi)界面中，而不是堆積在 TiB2/Al 界面內(nèi)。因此，所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料通過(guò)有效促進(jìn)具有較高的加工硬化率位錯(cuò)倍增和湮滅，從而導(dǎo)致更高的塑性。

圖 12

CNP/7075Al 復(fù)合材料中提出的 PAIT 機(jī)制示意圖：（a）高失配 CNP/Al 界面通過(guò)峰值老化期間的界面沉淀來(lái)定制處理方式;（b）定制的 CNP 和均質(zhì)納米沉淀物的概述在峰值老化期間分散在基質(zhì)中；（c）和（d）MMCs 的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)演化分別在塑性變形過(guò)程中沒(méi)有 PAIT 和有 PAIT 機(jī)制。

在這項(xiàng)研究中，我們提出了一種有效的策略：通過(guò)定制 CNP/矩陣界面來(lái)打破傳統(tǒng) MMC 中長(zhǎng)期存在的強(qiáng)度塑性權(quán)衡。我們澄清了PAIT 機(jī)制，其 CNP/matrix 接口具有更高的一致性，可以通過(guò)E2EM 模型并通過(guò) IP 沉淀實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，只考慮了基體中細(xì)小等軸晶粒（幾微米）的獲得，與任何在納米晶材料中報(bào)道過(guò)的策略相比，這排除了相似性，開(kāi)辟了一條新的突破途徑來(lái)降低工程材料的強(qiáng)度-塑性權(quán)衡。

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