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喬珺威在Int. J. Plast.成果：非晶復(fù)合材料中成分設(shè)計(jì)的理論模型——類霍爾佩奇關(guān)系

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2018-05-03  瀏覽次數(shù)：4155
          相比于傳統(tǒng)晶態(tài)合金，由于長(zhǎng)程無(wú)序的原子結(jié)構(gòu)，塊體非晶合金具有諸多獨(dú)特的力學(xué)性能，例如高的屈服強(qiáng)度與硬度、大的彈性極限、優(yōu)異的抗腐蝕性能和耐磨性能等。然而，在室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸的載荷下，由于高度局域化剪切帶的形核并快速擴(kuò)展，塊體非晶合金通常表現(xiàn)為災(zāi)難性的脆性斷裂。

       為了改善這一限制非晶合金應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程材料的缺點(diǎn)，近年來(lái)在非晶合金中引入具有韌性的晶體第二相來(lái)阻礙主剪切帶的快速擴(kuò)展以及促使多重剪切帶的形成，制備出兼顧高強(qiáng)度和高韌性的晶體相增韌的非晶復(fù)合材料。

       日前，太原理工大學(xué)喬珺威教授(通訊作者)在International Journal of Plasticity上發(fā)表了一篇名為 " Universally scaling Hall-Petch-like relationship in metallic glass matrix composites" 的文章。

       研究論文討論了非晶復(fù)合材料中一般性的規(guī)律，即類霍爾佩奇關(guān)系。本課題選取由位錯(cuò)滑移機(jī)制為主導(dǎo)塑性的、樹(shù)枝晶增韌的非晶復(fù)合材料，建立起非晶復(fù)合材料中位錯(cuò)塞積模型。通過(guò)對(duì)樹(shù)枝晶中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具體過(guò)程和位錯(cuò)間相互作用力的分析，結(jié)合非晶復(fù)合材料特殊的結(jié)構(gòu)特征，推導(dǎo)出屈服強(qiáng)度與樹(shù)枝晶尺寸的定量關(guān)系。

       并且利用平均場(chǎng)理論，大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析非晶復(fù)合材料成分-微觀組織結(jié)構(gòu)間的定量關(guān)聯(lián)。對(duì)樹(shù)枝晶枝晶臂的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將成分參量引入，預(yù)測(cè)成分參量對(duì)于樹(shù)枝晶枝晶臂直徑的累計(jì)概率密度分布的影響。提出累計(jì)概率密度分布的臨界值，建立起成分參量與此體系下非晶復(fù)合材料枝晶尺寸臨界值的關(guān)系，從而達(dá)到預(yù)測(cè)枝晶尺寸的目的。

       基于以上兩點(diǎn)考慮，可以構(gòu)建出成分-組織-屈服的定量函數(shù)關(guān)系，從而做到對(duì)內(nèi)生非晶復(fù)合材料進(jìn)行成分設(shè)計(jì)。

 

圖1：樹(shù)枝晶增韌非晶復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特征

圖1 (a)非晶復(fù)合材料鑄態(tài)的掃描圖；(b)復(fù)合材料的XRD圖譜；(c)和(d)分別是樹(shù)枝晶和非晶基體的選取電子衍射圖譜

       作為模型材料，名義成分是Ti50Zr20V10Cu5Be15 (atom%)是一種典型的樹(shù)枝晶增韌的非晶復(fù)合材料。晶體第二相彌散分布在成片的非晶基體上。


圖2：非晶復(fù)合材料中位錯(cuò)塞積模型

圖2 (a)是拉伸變形后樣品的TEM明場(chǎng)像；(b) 非晶復(fù)合材料中位錯(cuò)塞積示意圖

       非晶復(fù)合材料在變形過(guò)程中，樹(shù)枝晶中產(chǎn)生位錯(cuò)滑移并塞積于兩相界面處。當(dāng)作用于界面處的切應(yīng)力達(dá)到非晶基體的臨界面型切應(yīng)力后，非晶中剪切帶形核并快速擴(kuò)展，并將應(yīng)力傳遞至下一個(gè)晶粒中，引起位錯(cuò)滑移。


圖3：內(nèi)生非晶復(fù)合材料體系中的類霍爾佩奇關(guān)系

圖3 非晶復(fù)合材料屈服強(qiáng)度與樹(shù)枝晶枝晶臂直徑負(fù)二分之一次冪的線性關(guān)系圖

       對(duì)于眾多的內(nèi)生非晶復(fù)合材料體系，例如鈦基、鋯基、鎂基與鑭基，并且在不同的樣品制備方法中，例如銅模吸鑄和定向凝固，這種類霍爾佩奇關(guān)系都被證實(shí)是成立的。


圖4：平均場(chǎng)理論構(gòu)建成分組織關(guān)系

圖4(a) Ti-Zr-V-Cu-Be體系的非晶復(fù)合材料樹(shù)枝晶枝晶臂直徑的累計(jì)概率密度分布圖；(b)屈服強(qiáng)度與成分參數(shù)的曲線。

       利用平均場(chǎng)理論，即通過(guò)對(duì)同一體系非晶復(fù)合材料晶粒尺寸進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并將成分參量引入，便可以得到組織與成分參量間的定量函數(shù)關(guān)系。

       將此函數(shù)關(guān)系結(jié)合類霍爾佩奇關(guān)系，建立起了成分參量與此體系下非晶復(fù)合材料屈服強(qiáng)度的關(guān)系。

       制備內(nèi)生非晶復(fù)合材料的方式可以提高非晶合金的塑性變形能力。而為了得到綜合性能更加優(yōu)異的復(fù)合材料，需要衡量晶體第二相的加入對(duì)性能的影響。本研究成功構(gòu)建出非晶復(fù)合材料中成分-組織-性能的定量關(guān)系，為內(nèi)生非晶復(fù)合材料的成分設(shè)計(jì)提供了理論參考。

        喬珺威，太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長(zhǎng)，亞穩(wěn)態(tài)金屬材料研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。

特別提示：本信息由相關(guān)企業(yè)自行提供，真實(shí)性未證實(shí)，僅供參考。請(qǐng)謹(jǐn)慎采用，風(fēng)險(xiǎn)自負(fù)。


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