金属顶刊《Acta Materialia》:钛基复合材料强度-塑性-韧性的同时提高!
2023-06-05 14:20:35 作者:材料基 来源:材料基 分享至:

 

近期,西安交通大学材料学院的高义民教授团队的李强博士生,联合新加坡南洋理工大学的黄升博士、赵亚凯博士和Upadrasta Ramamurty教授,针对钛基复合材料(TMCs, Titanium matrix composites)中陶瓷相添加导致塑韧性降低问题展开研究。相关研究结果以“Simultaneous Enhancements of Strength, Ductility, and Toughness in a TiB Reinforced Titanium Matrix Composite”为题,发表在金属材料领域顶级期刊Acta Materialia上。

论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118995


为进一步提高钛合金的比强度、比刚度及高温性能等,常向钛合金中引入陶瓷增强相制备钛基复合材料。但陶瓷相(如TiB)的添加,往往会降低复合材料的延展性和断裂韧性等,这主要是由于增强相颗粒常位于晶界处。该研究采用粉末冶金技术制备了TMCs(其中大部分一硼化钛(TiB)颗粒位于晶粒内),并对其微观组织、室温拉伸性能、I型断裂韧性和疲劳裂纹扩展行为进行了系统研究。

结果表明,当大多数微米级TiB均位于晶内时,1 vol.%TiB添加可实现强度、塑性和断裂起始韧性的同时提高!相对于无TiB添加的纯钛试样,1 vol.%TiB/Ti复合材料的屈服强度(σy)、断裂延伸率(ef)和断裂起始韧性(KQ)分别提高了93.9%35.0%67.0%。间断拉伸试验表明,GB-TiB(与晶界相交的TiB)和IG-TiB(完全位于晶内的TiB)在TMC变形过程中的作用存在显着差异。GB-TiB在材料颈缩之前发生断裂,表明它们限制材料塑性的作用;而大多数IG-TiB在材料断裂之前均保持完好,可在材料变形过程中作为位错滑移的障碍,提高Ti基体的应变硬化率。此外,还对制备的钛基复合材料的断裂力学进行研究,例如断裂韧性和疲劳裂纹扩展行为。

图片摘要

几个世纪以来,学者们一直致力于研发出更强、更韧、更轻及更耐高温的材料,其中金属基复合材料(MMCs, Metal matrix composites)在过去的50年间收到了广泛关注。钛基复合材料因其高比强度、比刚度、优异的高温性能和较低的热膨胀系数等,在航空航天、汽车和民用等行业都有着很大的应用潜力,可用于替换传统材料以实现减重、提高使用性能和服役温度等目的。虽然已有大量的研究表明,相对于钛合金,钛基复合材料有着更好的高温服役性能,例如高温强度、抗氧化性和抗蠕变性能等,但室温脆性仍是钛基复合材料的一大瓶颈问题!近年来,针对TMCs的室温脆性问题,国内外学者们已开展了一系列研究,例如调控增强相的分布、降低增强相尺寸等,但是绝大部分钛基复合材料的塑性仍低于无增强相添加的钛合金。

在本研究中,通过粉末冶金法制备了大部分微米级TiB~80%)均位于Ti晶粒内部的钛基复合材料。在TiB体积分数为1%的钛基复合材料中,实现了强度、塑性和断裂起始韧性(KQ)的同时增强。对试样进行间断拉伸试验,研究讨论了TiB位置的重要性,结果表明,位于晶内的IG-TiB,在以平面滑移为主的α-Ti基体中,可阻碍位错滑移,促进双系滑移/多系滑移的开动,提高基体的加工硬化率,进而增强材料塑性。对疲劳裂纹扩展行为进行研究发现,在无TiB添加的C0试样中,粗大晶粒是裂纹偏转的原因,而在复合材料试样中,TiB主导了疲劳裂纹的偏转行为。

1. TMCs的化学成分、理论TiB体积分数以及用于制备的AlB2添加量


2. 有代表性的光镜照片:(aC0试样,(bC1试样,(cC2试样,(dC4试样。(e)随总TiB体积分数变化的GB-TiBIG-TiB体积分数。(位于晶界的GB-TiB和位于晶内的IG-TiB分别用蓝色和红色突出显示)

2. 各试样中微观组织参数汇总


3. C0-C4试样的室温拉伸行为:(a)工程应力应变曲线,(bKocks-Mecking曲线。

3. 室温拉伸性能汇总


4. 断裂起始韧性和疲劳裂纹扩展性能汇总。


9. C1 样品表面(自由表面)在拉伸测试至约 8.5% 应变(接近颈缩)后的扫描电子显微照片: (a)低倍SEM (b) 高倍SEM照片显示GB-TiB  (c–d)高倍SEM照片显示 IG-TiB

11. 表明TiB的断裂主导试样的(a)颈缩和(c)断裂开始的示意图。(b)均匀延伸率随GB-TiB体积分数变化,(d)断裂延伸率随总TiB体积分数的变化。

12. 拉伸应变至~8.5%(接近颈缩)后C1样品的变形机制分析。(a)晶粒取向图(beGrain 1Grain 2SEM图像,(cfGrain 1Grain 2的相图,(dgGrain 1Grain 2KAM图。

13. 疲劳裂纹的侧表面照片:(abC0试样,(cdC1试样,(efC4试样。

14. 疲劳裂纹扩展门槛值随TiB总体积分数变化。插入图表示C0C4试样中的裂纹偏转。

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