东北大学李小武团队《JMST》:短程有序对FCC合金低周疲劳寿命改善的关键影响
2023-09-19 14:18:33 作者:张炎杰, 李小武 来源: 材料科学与工程 分享至:

 

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全文速览

本文选取纯Ni和低固溶强化高层错能Ni-xCr合金(x = 10at.%20at.%40at.%)作为研究对象,在室温下进行恒应变幅控制的拉-压对称疲劳实验,系统研究了短程有序(SRO)对Ni-Cr合金循环硬化/软化行为、Masing行为以及疲劳寿命的影响规律及其微观机理。此外,针对低固溶强化高层错能面心立方(FCC)合金,提出了一个基于总滞回能的疲劳寿命预测模型,并以此解释了短程有序与合金低周疲劳性能之间的内在联系。

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背景介绍

SRO结构作为影响FCC金属材料塑性变形机制的关键因素之一,近些年来已成为研究者们尝试改善金属材料力学性能的关注点。事实上,对大多数FCC合金而言,溶质元素的添加不仅可以引入更多的SRO结构,还可能降低层错能,同时提高溶质原子与位错之间的摩擦应力,使得研究SRO单方面改善材料力学性能的具体作用机制变得困难。因此,为了尽可能排除层错能与摩擦应力的影响,进一步丰富与完善人们对SRO影响FCC合金材料循环塑性变形机制的认知,本工作选择Ni-Cr单相合金作为研究对象进行恒应变幅控制下的对称拉-压疲劳实验,该合金的层错能较高(≥75 mJ/m2),且属于低固溶强化合金,即摩擦应力和层错能随Cr含量的增加基本不变,而短程有序度随Cr含量增加逐渐提高。本工作旨在澄清FCC合金中SRO对其疲劳变形行为及其微观变形机制的关键影响,为FCC合金材料的疲劳性能优化提供新的思路。

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研究亮点

1)对于低固溶强化Ni-Cr合金,SRO结构的增加可以使疲劳裂纹萌生方式由沿晶开裂转变为滑移带开裂,抑制疲劳裂纹扩展,从而显著提高合金的疲劳寿命。
2Ni-40at.%Cr合金在不同应变幅下半寿命处的稳定滞后回线表现出明显的Masing行为,这有别于之前关于高层错能FCC合金一般呈现non-Masing行为的传统认识。
3Ni-10at.%CrNi-20at.%Cr合金在循环变形过程中短程有序结构被逐渐破环,位错结构发生了由平面滑移带向位错胞或位错缠结的转变,导致两种合金在低应变幅下出现二次循环硬化现象。
4)本文提出的总滞回能寿命预测模型可对Ni-Cr合金的疲劳寿命进行较好的预测。

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图文解析

 

 

 

 

 

 

 

 

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总结与展望

本文系统研究了SRO对低固溶强化高层错能Ni-Cr合金在不同总应变幅下的拉-压低周疲劳行为的影响。结果表明,Ni-Cr合金的疲劳寿命随SRO结构的增加而显著提升。SRO结构的引入不仅使疲劳裂纹萌生方式由沿晶开裂转变为沿滑移带开裂,而且Ni-Cr合金的稳定滞后回线也表现出由non-Masing特性到Masing特性的转变。此外,利用总滞回能模型可对Ni-Cr合金的疲劳寿命进行较好的预测。随着Cr含量增加,SRO引起的位错平面滑移能够提高Ni-Cr合金的疲劳裂纹扩展阻力;随着Cr含量进一步增至40at.%,大量形变孪晶的形成又能有效抑制疲劳损伤的局部集中,推迟疲劳裂纹萌生。总之,通过提高SRO结构含量有望改善FCC合金的拉-压低周疲劳性能。

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课题组介绍和专任教师招聘

 

 

 

 

东北大学李小武教授课题组长期从事金属材料的强韧化、疲劳与断裂以及生物仿生材料微结构与性能等研究工作。李小武现任东北大学材料科学与工程学院材料物理与化学系系主任、教授、博士生导师,“材料物理”国家一流本科专业负责人,中国材料研究学会发展咨询委员会委员、中国材料研究学会疲劳分会理事、JMST和Metals等国际SCI杂志编委。曾任日本大阪大学JSPS特别研究员、德国亚琛工业大学“洪堡”学者,入选教育部新世纪优秀人才、辽宁省百千万人才工程百人层次、沈阳市十大杰出青年创新人才等。李小武教授先后承担30余项科研项目的研究(包括7项国家自然科学基金面上项目),在包括Acta Mater., Acta Biomater., Scripta Mater., PNAS, ACS AMI, JPCL, JMST, Corros. Sci., J. Am. Ceram. Soc.等知名刊物上发表论文300余篇(其中SCI论文220余篇)。

 

东北大学材料科学与工程学院材料物理与化学系(材料物理专业)系始建于1958年的东北工学院金属物理专业的基础上发展起来的。1986年,经国务院学位委员会批准与清华大学同批成为材料物理与化学博士点,是当时全国高等院校中三个材料物理与化学博士学位授权学科之一,设有博士后流动站,2007被评为“国家重点学科”;2022年,材料物理专业入选“国家一流专业”。本专业主要研究方向包括:新材料研制与开发(包括超导材料、磁性材料、激光材料、新能源材料、生物材料等)、材料微结构与性能、材料疲劳与断裂、现代材料计算与设计等。本专业长期招聘相关研究领域的专任教师(教授、副教授、讲师),面向海内外诚邀各类人才加盟!联系方式:李小武,E-mail: xwli@mail.neu.edu.cn。

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