金属材料科学研究前沿（第1期）

2021-04-15 10:33:59 作者：新材料智库来源：新财道分享至：

Acta Materialia

金属陶瓷双相材料表面损伤新机制

金属陶瓷兼具陶瓷相的高硬度和粘结相的高韧性，被作为钻头、刀具材料广泛应用于海底勘探、盾构机、金属加工等关键工程领域。目前，对金属陶瓷在宽温域、变载荷条件下的耐磨性能已有相关研究报道，但对其在热-力耦合苛刻服役条件下的化学成分及微结构演变尚缺乏系统性研究。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋新材料与应用技术重点实验室通过关键实验与理论计算相结合的方式系统地研究了金属陶瓷材料在热-力耦合条件下的宏观磨损机制与微观损伤机理，该项研究工作采用粉末冶金真空负压烧结的方法成功制备了包含碳化钛陶瓷相和高锰钢粘结相的新型轻质金属陶瓷双相材料，发现不同于传统陶瓷材料，该金属陶瓷存在一个表面损伤机制转变的临界温度（~125摄氏度）。

显微光谱分析结合相图计算CALPHAD结果表明，大气条件下碳化物陶瓷相表面发生脱碳反应造成硬度降低，磨损率升高；原位透射电镜分析结合第一性原理计算结果进一步表明，高温条件下陶瓷相表面发生相变生成连续纳米晶氧化膜，材料表面塑性提升，磨损率降低。综上，该研究首次确定了金属陶瓷材料宏观磨损机制的转变温度，并通过理论计算阐明了微观相变机理。

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文献链接：

Temperature-induced wear transition in ceramic-metal composites，Acta Materialia，2020

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420309824

梯度纳米结构金属材料的力学性能和变形机理

受生物材料梯度结构的启发，研究人员已经探索了约40年的成分和结构梯度，以此作为增强工程材料（包括金属和金属合金）性能的方法。

许多生物材料在局部化学组成或结构特征方面表现出空间梯度。为了优化力学性能，工程材料中引入了化学和结构梯度。化学成分的梯度会导致与化学键合相关的特性发生梯度变化，可用于增强合成材料的各种适当的连接性和功能性，包括承载和支撑，抗冲击破坏性和界面增韧。近日，新加坡南洋理工大学高华建院士团队综述了梯度纳米结构金属和合金的力学性能和变形机理；评估了梯度纳米结构金属材料领域的最新技术，涵盖了从制造和表征到潜在的变形机制等；讨论了由结构梯度引起的各种变形行为，包括应力和应变梯度，新位错结构的累积和相互作用以及独特的界面行为，为梯度结构材料发展的未来方向提供了的重要见解。

文献链接：

Mechanical properties and deformation mechanisms of gradient nanostructured metals and alloys，Nature Reviews Materials，2020

https://www.nature.com/articles/s41578-020-0212-2

Nature Communications

全面揭示镍基高温合金孪晶界的应变局部化和失效机理

镍基高温合金被广泛用于各种要求苛刻的环境中，例如航空航天涡轮发动机，核电站以及石油和天然气深井。对于在侵蚀性环境中使用的多晶合金，已知晶间降解是材料失效的致命弱点，这刺激了晶界工程（GBE）的发展。因此，通过引入高比例的重合位点晶格（CSL）边界，可以缓解许多材料的晶间开裂。相比之下，作为GBE框架下首选的典型CSL边界，发现某些镍基高温合金中的连贯孪晶边界（TB）是材料失效的脆弱部位。当在各种环境中使用镍基高温合金作为关键组件时，目前对与孪晶界相关的故障缺乏理解。

尽管与孪晶相关的意外失效已显示出对镍基高温合金的性能至关重要，但其机理的物理原因仍然难以捉摸。近日，英国曼彻斯特大学Michael Preuss教授和上海科技大学zhenbo zhang教授团队对γ‘强化的镍基高温合金中的TB和与TBs相关的失效进行了全面的多尺度微结构和力学表征，并结合密度泛函理论（DFT）计算。发现了由TB介导的γ'’相沉淀机制，这导致沿TB形成独特形态的γ‘’。这种特殊的γ‘’析出物和所形成的析出物剥落区导致机械负载过程中的过早位错活动和明显的应变局部化。有了这些发现，作者发现了镍基高温合金在原子水平上与TBs有关的失效的物理原因。

文献链接：

Strain localisation and failure at twin-boundary complexions in nickel-based superalloys，Nature comumunications，2020

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18641-z

新方法，解决增材制造高熵合金热裂问题

近年来，增材制造（AM）已被证明是金属加工的颠覆性技术。人们对其微观结构形成机制及其对力学性能的影响认识有了很大的进展。尽管相关研究越来越多，但仍然存在一个主要问题，即热撕裂或热开裂。

通过焊接知识理解金属AM热裂纹问题是一个很好的点。到目前为止，在AM中防止热裂的合金设计工作主要集中在减小凝固范围或引入晶粒形核剂上。晶界偏析工程（GBSE）在防止热裂纹方面的应用鲜有报道。对于金属AM来说，它转化为在凝固结束时液膜性能的操纵，这是最容易发生热开裂的地方。一般来说，晶界偏析有利于有害金属间化合物的生长，从而使破外晶界完整性。据报道，在铸件中，某些分离诱导的金属间化合物有利于减少热裂纹。

基于此，南洋理工大学XipengTan和Zhongji Sun教授深入的研究了在SLM制造的高熵合金（HEA） CoCrFeNi中广泛的热开裂问题。CoCrFeNi合金的热裂纹是由高残余应力状态引起的。作者引入了晶界偏析工程GBSE方法，有效地消除了残余应力，以防止上述区域的AM出现热开裂。

文献链接：

Reducing hot tearing by grain boundary segregation engineering in additive manufacturing: example of an AlxCoCrFeNi high-entropy alloy，Acta Materialia，2020

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116505

Acta Materialia

纳米析出强化钢的晶界不连续析出机制及调控机理

纳米析出强化钢是近年来国内外迅速发展的先进高强钢之一，其具有高强度、高塑性和良好的焊接性能，在航空航天、交通运输和海洋工程等领域有重大的应用潜力。但是，高强钢的晶界处能量高、扩散快，容易形成尺寸粗大的不连续析出相，引起晶界断裂，严重降低材料的强韧性，这也是众多析出强化合金普遍存在的一个问题。

最近，香港理工大学焦增宝团队以NiAl纳米析出强化钢为模型，探索了高强钢的晶界不连续析出机制及调控机理，发现调控Cu元素的晶内配分和晶界偏析，可以消除晶界处尺寸粗大的不连续析出相，促进NiAl纳米相的均匀析出，显著提高材料的强韧性。

本研究发现，调控Cu元素的晶界偏析和晶内配分，可以有效的消除高强钢的晶界不连续析出，获得在晶界和晶内均匀分布的NiAl纳米析出相。研究发现，Cu元素抑制晶界不连续析出相的机理有两方面：1）Cu元素偏析到NiAl连续析出相中，加速了晶内NiAl相的连续析出，快速降低了基体的过饱和度，从而降低了晶界处不连续析出相的生长动力；2）Cu元素偏析在晶界处，降低了晶界的能量，从而降低了晶界处不连续析出相的形核动力。

文献链接：

Mechanisms for suppressing discontinuous precipitation and improving mechanical properties of NiAl-strengthened steels through nanoscale Cu partitioning，Acta Materialia，2020

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420309988

原位声波叠加 - 对7000系铝合金激光焊接组织性能的影响

随着轻量化和节能减排的要求，铝作为一种有吸引力的轻质结构材料，在许多与交通相关的领域得到了广泛应用。变形铝合金根据其化学成分可分为不可热处理材料和可热处理材料。不可热处理合金的最终机械性能取决于成形过程中引入的固溶强化。相反，热处理和时效处理是提高沉淀强化合金强度的主要途径。这些合金的热处理工艺包括高温固溶以溶解合金元素，然后快速冷却至室温以提供过饱和固溶体。

AA-7075等沉淀强化铝合金的特点是固溶态强度相对较低，延展性较好。因此，回火为直接进行时效处理的高效成形工艺提供了充分的条件。例如激光束焊接，可用于成型半成品的进一步加工。然而，在激光束焊接中，集中的热输入会导致热影响区（HAZ）的组织发生有害的变化，这种变化通常只能通过后续的热处理才能逆转。

近日，来自德国的卡塞尔大学的一项最新研究表明，通过不同的热处理策略和声波叠加激光束焊接工艺优化提升AA-7075焊接接头的组织和力学性能，从而获得比传统AA-7075焊接接头更高的强度。

文献链接：

On the influence of in situ sound wave superposition on the microstructure of laser welded 7000 aluminum alloys，Journal of Advanced Joining Processes，2020

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

热轧变形量对高钛耐磨钢组织与力学性能的影响

钢铁研究总院研究者最新发表在金属学报上的文章《热轧变形量对高钛耐磨钢组织与力学性能的影响》，通过不同总压缩比的实验室热轧、微观组织和析出相表征及力学性能测试等实验，研究了热轧变形量对经过轧后热处理的高钛耐磨钢组织和力学性能的影响。

随着轧制变形量的增大，高钛耐磨钢的强度、韧性和塑性均有提高：屈服强度、抗拉强度和总延伸率从压缩比为3:1时的1202 MPa、1437 MPa和7.4%分别提高到压缩比为30:1时的1311 MPa、1484 MPa和9.9%，而室温Charpy冲击功从压缩比为3:1时的11J大幅提高到压缩比为10∶1时的24J。随着轧制变形量增大，铸态析出的微米级网状TiC逐渐细化和均匀化，同时尺寸小于15 nm的TiC颗粒占比增加，热处理后的原奥氏体晶粒尺寸则不断减小。

通过对高钛耐磨钢各种强化方式的定量分析表明，采用沉淀强化和位错强化均方根叠加方式计算得到的高钛耐磨钢屈服强度与实测值吻合较好，高钛耐磨钢屈服强度随轧制压缩比增加而上升主要是由于晶界强化和沉淀强化作用增加所致。高钛耐磨钢的韧性和塑性随强度的提高不降反升，主要是因为大颗粒TiC在轧制变形过程中发生细化和均匀化。