哈工大耿林教授團隊Acta Mater.：層狀結構在Ti-Al金屬層狀復合材料塑性改善中的作用

【引言】

高強度和高塑性對于金屬結構材料是至關重要的，但它們通常是倒置的。材料的組織很大程度上決定了材料具有的性能，研究人員發現，可以通過改善材料中的微觀結構和分布實現對材料的增強和增韌，如層狀金屬復合材料（LMC）。目前，已有許多變形機制能夠很好解釋LMC塑性變形行為，但是層狀結構設計對整個變形過程的影響并不清楚。層狀結構對于LMC變形過程的局域應變（應力）的演化行為研究尚不系統，然而，這對實現復合材料的強韌化調控是關鍵性的。本文將從局域應變研究入手，通過中子衍射測量LMC拉伸下的晶格應變，并引入X射線斷層掃描及數字圖像相關（DIC）直接觀測局域應變及裂紋分布，構建局域應變（應力）分布與層狀結構的關聯規律。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學耿林教授、范國華副教授（通訊作者）及共同指導的博士生黃猛等與大連理工大學、上海光源、哈爾濱理工大學、德國赫姆霍茲研究中心、魯汶大學等單位合作在Acta Materialia上發表題為“Role of layered structure in ductility improvement of layered Ti-Al metal composite”的文章。研究團隊通過中子衍射，X射線斷層掃描及數字圖像相關（DIC）等原位手段表征了在拉伸變形過程中LMC的應力/應變狀態和斷裂行為，深刻地解釋了層狀結構對LMC變形行為的影響：層狀結構改變了其形變過程中的應力狀態，使得LMC形變可明顯分為三個階段：彈性階段、彈塑性階段以及塑性階段。此外，在LMC形變過程中，層狀結構對其微觀組織，局域應變分布以及斷裂行為存在明顯的影響，使得LMC能克服強度—塑性的倒置關系，進而達到良好的性能兼容性。

【圖文導讀】

圖1.LMC的微觀組織及取向分析

a. Ti-Al層狀金屬復合材料的掃描電鏡圖。

b.沿法線方向的反極圖。

c.?b圖中放大的反極圖。

d. Ti層及Al層中晶粒尺寸分布。

e. Ti層的{0001},{11-20}{10-10}極圖，Al層的{100},{110},{111}極圖。

圖2.Ti/Al界面的透射組織圖

a. Ti/Al界面明場像。

b.?高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像和相應的快速傅立葉變換（FFT）花樣。

c. 沿a圖紅色箭頭（表示掃描方向及位置）方向的EDS線掃描。

圖3.LMC拉伸工程應力-應變曲線及加工硬化率曲線

a. LMC拉伸工程應力-應變曲線。

b. 加工硬化曲線。載荷方向與橫向平行。

圖4. 通過原位中子衍射晶格應變演化分析

a. LMC原位拉伸變形過程中的衍射曲線。

b.?Al層{111}及Ti層{101}的放大圖。

c. LMC由Al{111}和Ti{101}構成的晶格應變演化曲線。

晶格應變-施加應力曲線分為三個階段：彈性階段，彈塑性階段和塑形階段。

圖5. LMC彈性變形下的應力分析

紅色和黑色實線或虛線分別表示Ti {101}和Al {111}面的測量值和理論值。

圖6. 通過HR-DIC分析不同宏觀應變(ε)下Ti的局域應變演化

三種不同方向下單一的Ti在不同宏應變下的HR-DIC分析

a. 宏觀應變量0.5%下的局域應變演化。

b. 宏觀應變量1.5%下的局域應變演化。

c. 宏觀應變量3.0%下的局域應變演化。

d. 宏觀應變量4.5%下的局域應變演化。

e. 平均局域應變ε_xx、ε_yy和ε_xy隨宏觀應變量的定量分析。

圖中加載方向平行于橫向（x方向）

圖7.拉伸變形下LMC的局域應變演化

在不同的宏觀應變下沿x方向LMC的HR-DIC分析

a.宏觀應變量0%下的局域應變分布。

b.宏觀應變量2%下的局域應變分布。

c.宏觀應變量4%下的局域應變分布。

d.宏觀應變量5%下的局域應變分布。

e.宏觀應變量6%下的局域應變分布。

f.宏觀應變量8%下的局域應變分布。

隨宏觀應變量增加，平均局域應變的定量分析：

g.?平均局域應變ε_xx。

_h.?平均局域應變ε_yy。

_i.?平均局域應變ε_xy。

加載方向平行于橫向（x方向）

圖8. 單一的Ti與LMC結構中Ti的局部應變對比

通過HR-DIC定量分析不同宏觀應變下Ti的平均局域應變

a. 等面積的個體Ti和LMC結構Ti。

b. x方向平均應變ε_xx。

c.?y方向的平均應變ε_yy。

圖9. LMC中Ti層織構演變

在不同的宏觀應變下獲得的沿橫向和法向的相應反極圖；拉伸加載方向與橫向平行。

圖10. 不同宏觀應變下LMC裂紋分布的三維形貌

a. 宏觀應變為0%。

b.?宏觀應變為3.0%。

c. 宏觀應變為5.0%。

d.?宏觀應變為10.0%。

e. 宏觀應變為20.0%。

f. 在宏觀應力分別為10.0%和20.0%下的橫向-法向二維斷層切片。

g. e圖中LMC里Ti層頸縮斷裂的三維形貌。

圖11.裂紋分布的定量分析

a. 不同宏觀應力下，界面、Ti層和Al層的裂紋體積分數。

b. 圖c中裂紋體積小于400μm³處的裂紋分布。

c. 裂紋體積大于10⁵μm³處的裂紋分布。

圖12.LMC變形過程的示意圖

圖中包括彈性階段、彈塑性階段、塑性階段、裂紋萌生和抑制裂紋擴展。實心箭頭表示應力，空心箭頭表示約束力。

圖13. Ti層與Al層組織演化的實驗結果與模擬結果對比

上圖由EBSD實驗并基于Sachs模型和泰勒模型得到，拉伸方向與橫向平行。

圖14.裂紋和塑性變形對LMC塑性的貢獻

【小結】

原位中子衍射、原位DIC以及原位μ-CT共同揭示了層狀結構對LMC形變及斷裂行為的影響及其強韌化機理。研究發現層狀結構改變了LMC在形變過程中的應力狀態，其變形可分為三個階段（彈性階段、彈-塑性階段及塑性階段），變形階段的劃分與組元層的彈性模量、屈服強度及層狀結構參數密切相關。在變形不同階段均存在明顯的應力分區現象，盡管這種應力分區行為有利于改善Ti層與Al層間的變形協調性，但同時導致了界面處內應力的累積。此外，在層狀結構下，應變轉移行為能緩解Ti層的應變局域化，從而提高Ti的塑性。界面處的內應力累積和Ti層應變局域化都能促進裂紋過早在界面處形核，但這些裂紋的擴展受到了層狀結構的限制，這是LMC展現出高塑性的原因之一。文章不僅形象有力地揭示了層狀結構對LMC塑性改善的作用，而且為研究設計高性能LMC材料指明了新方向。

【文獻信息】

文獻鏈接：Role of layered structure in ductility improvement of layered Ti-Al metal composite (Acta Mater.,2018,10.1016/j.actamat.2018.05.005)

【團隊介紹】

哈爾濱工業大學耿林教授團隊主要從事金屬及其復合材料的設計、制備和先進表征等研究工作，團隊成員范國華副教授近年來從局域應變演化角度認識金屬結構材料的變形與力學行為，在電鏡、原子力顯微鏡、同步輻射光源等發展了多尺度局域應變表征裝置和方法，選擇層狀結構模型材料深入分析了局域應變調控對力學特性的影響，并進一步在層狀TiAl金屬間化合物和鎂合金中示范驗證了局域應變/應力控制的重要性，完成了“理論→裝置與方法→典型材料驗證”的系統研究。具體上，與丹麥技術大學、大連理工大學、德國赫姆霍茲研究中心、上海同步輻射光源、北京同步輻射光源、臺灣同步輻射光源、以及美國APS、ALS光源等長期深入合作，利用原位DIC，中子衍射，同步輻射μ-CT，白光勞厄衍射，高能x射線微束衍射等手段研究金屬結構材料形變領域相關的前沿科學問題。在Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Scripta Materialia、Metallurgical and Materials Transactions A、Philosophical Magazine Letters等發表SCI論文40多篇，國內外學術會議上多次作特邀報告。

【相關工作匯總】

【1】Wu Hao, Fan Guohua^#, Huang Meng, Geng Lin^#, et al. Deformation behavior of brittle/ductile multilayered composites under interface constraint effect. International Journal of Plasticity, 2017, 89: 96-109.

工作簡介：以典型Ti/Ti₃Al層狀復合材料為例，使用原位EBSD、同步輻射斷層掃描技術、數字圖像關聯技術等先進表征手段，系統研究了強界面約束作用下塑/脆多層復合材料的變形機制與斷裂損傷行為，發現了室溫下有序Ti₃Al相的錐面滑移及塑性變形行為，從理論和實驗兩個角度提出并驗證了基于平面應力狀態下裂紋尖端塑性區的微觀力學模型，探討了室溫下層狀復合材料微觀應力/應變的傳遞機制。

【2】 Fan Guohua^#, Geng Lin, Wu Hao, et al. Improving the tensile ductility of metal matrix composites by laminated structure:A coupled X-ray tomography and digital image correlation study. Scripta Materialia, 2017, 135: 63-67.

工作簡介：該研究工作旨在使用層狀結構設計改善金屬基復合材料脆性大的難題，發現了金屬結構材料的宏觀力學性能是受其微觀應變分布控制的，而層狀異質構型設計能夠顯著地抑制應變的局域化，因此提高了復合材料的微觀損傷容限。該結果為控制微觀應變集中進而改善復合材料力學性能提供了理論依據。

【3】 Wu Hao, Fan Guohua^#, Geng Lin et al. Nanoscale origins of the oriented precipitation of Ti3Al in TiAl systems. Scripta Materialia, 2016, 125: 34-38.

工作簡介：針對Ti3Al在Ti(Al)過飽和固溶體中的取向析出行為，使用原位透射電鏡、幾何相位分析、第一性原理計算等手段，發現Al固溶促進了Ti基體中層錯的形成，優先形成于柱面的層錯充當了Ti3Al的形核質點，進而誘發了取向析出現象。該研究結果為控制缺陷種類和分布進而調控其析出行為提供了實驗證據。

【4】 Xu Chao, Fan Guohua^#, Nakata T, et al. Deformation Behavior of Ultra-Strong and Ductile Mg-Gd-Y-Zn-Zr Alloy with Bimodal Microstructure. Metallurgical and Materials Transactions A, 2018, 49(5): 1931-1947.

工作簡介：通過對稀土鎂合金（Mg-8.2Gd-3.8Y-1Zn-0.4Zr，wt.%）進行熱擠壓及時效處理，實現長周期堆垛有序(LPSO)相、細小再結晶晶粒和形變晶粒的近層狀構型分布，大幅改善合金的強度與塑性，制備了目前具有最佳強韌性的稀土形變合金。通過對該合金在塑性變形過程中的局域應變分布及斷裂行為進行定量表征，發現合金組元相的近層狀分布可以抑制應變集中，進而改善合金塑性變形能力，驗證了構型設計對傳統金屬材料的強韌性同步提升的有效性，為高性能鎂合金開發提供了一種新思路。

本文由材料人編輯部金屬組熊富豪編輯，通訊作者范國華教授修正供稿。點我加入材料人編輯部。

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