IJP:通过定制双峰晶粒结构、分层孪晶和相干纳米沉淀物来克服镍基合金的强度和延展性权衡

文摘   2024-11-06 21:02   四川  

长期以来的强度-延展性权衡给材料科学带来了重大挑战,限制了许多结构材料的潜在应用。通过调整微观结构来激活多种强化/变形机制的协同效应,从而提高性能至关重要。在Yijie Ban等的研究中,研究团队受到非均相结构、纳米孪晶和纳米沉淀物的强化作用以及它们保持延展性的能力的启发,开发了一种镍基合金,它使用一种新颖的合成技术将非均相晶粒、高密度分层孪晶和相干沉淀物集成在一起。其特征是双峰晶粒分布,其中小晶粒包含高密度分层孪晶(三阶),超大晶粒没有孪晶。微观结构异质性和刻意的孪晶分布相结合,使合金能够在不同区域表现出特定的强化和变形机制,从而增强基体并有效分布应力和应变。同时,纳米级 L12 以极低的晶格失配0.193%分布在所有晶粒上,减少了位错运动引起的弹性应变的积累,从而防止了界面处的裂纹萌生。这种结构对位错的独特阻碍和适应显着提高了强度,而不会牺牲延展性,实现了高达 1498.6 MPa 的屈服强度和 18% 的均匀伸长率。在拉伸变形过程中,具有孪晶的小晶粒和超大晶粒表现出不同的吸收和约束位错的能力。分层孪生体促进了与多个方向的位错的交互。各种变形机制,包括高密度的微小堆积断层、Lomer-Cottrell 锁和短孪晶,被激活,特别是在超大颗粒中,这促进了位错的增加倍增和积累,有助于高应变硬化能力和出色的延展性。本研究通过管理多尺度微观结构异质性,为设计超强和延展性合金提供了一种新的范式和见解。

1 受固溶工艺影响的合金的微观结构。(a光学显微镜OM图像显示广泛的微观结构,主要是等轴晶粒60-150 μm和一些超大晶粒320 μm;b EBSD 图像,插图显示晶粒尺寸分布;c来自b的相应带状对比BC图,突出显示超大颗粒,插图显示取向差分布;d来自b的相应核平均定向不良KAM图,插图显示了 KAM 值的统计分析;e固溶处理后样品的 TEM 图像和相应的 SAED 模式;f说明微观结构演变的示意图。

2.MTs样品的典型 TEM HRTEM 图像。(a间距为 300 700 nm 的孪生网络,不同颜色的箭头代表不同方向的孪生;插图显示相应的 SAED 模式;ba中孪生网络的放大图像,揭示了典型的孪生形态;插图显示了从011区域轴线开始的相应 SAED 模式;c HRTEM 图像显示有缺陷的 TB 包含扭结,插图中带有相应的 SAED 模式;de相邻的孪生网络和“干净的颗粒”;fe中白色虚线框的放大图像,插图显示相应的 FFT

3.存在于 MTS 时效样品的明亮基质区域中的沉淀物的组成和形态。(a001方向拍摄的 HRTEM 图像揭示了 γ' 排序,其中a1显示了基体的 FFT 模式,(a2显示了 γ' FFT 模式;b沿a中标记的黄褐色箭头的强度分布,显示了两相中的原子排列;c γ' 纳米颗粒的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜HAADF-STEM显微照片。(d γ' 的电子色散光谱EDS图,子面板d1-d4显示了 NiAlTi Cr 元素分布的 EDS 化学图。

4.MTs MTs 时效样品的力学性能。(a MTs时效样品、MTs样品、传统热处理样品和固溶处理样品1120 °C 2 h在室温下的拉伸应力-应变曲线,三角形表示 MTs 时效样品和 MTs 样品的均匀伸长率(εue;b MTs时效样品和 MTs 样品的相应真实应力-应变曲线和应变硬化速率dσ/dε)曲线;c MTs 时效样品与其他具有代表性微观结构的 Ni 合金之间的屈服强度和均匀伸长率的比较。

5.MTs 时效样品的 HDI 硬化。(a MTs时效样品的加载-卸载-重新加载应力-应变曲线;b HDI 应力,插图显示了a中阴影区域中典型磁滞回线的放大视图。

6.各种强化机制对 MTs MTs 时效样品屈服强度的贡献。

相关研究成果以“Overcoming the strength and ductility trade-off in Ni-based alloy through tailoring of bimodal grain structures, hierarchical twins and coherent nanoprecipitates”为题发表在International Journal of PlasticityVolume 183, December 2024, 104147),论文的第一作者是Yijie Ban,通讯作者是Liang HuangJie Pan

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104147

多尺度力学
西南交通大学多尺度力学研究组维护
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