复合材料力学性能第三方测试：钛基复合材料的强度和延展性协同效应

导读：在钛基复合材料（TMC）的进一步开发和工程应用中，强度和延展性的同步提高是一个具有挑战性和长期存在的问题。本文首次设计了一种新的异质优化钛基复合材料，其特点是细颗粒/粗颗粒（FG/CG）区域嵌入了原位界面亚微米-TiB/微米-TiC和晶内纳米TiB晶须。钛基复合材料实现了强度-延展性组合，与基体合金相比，延展性增加了近30%。TMC的双模态结构，以及微纳米增强物及其界面/内颗粒分布，在强化-韧化效果中起着主导作用。此外，各种位错行为，包括多次滑移、跨越晶界的滑移传输激活更多〈c a〉位错，有助于达到理想的延展性。这些发现凸显了改善金属基质复合材料机械性能的未开发潜力。

钛基复合材料（TMC）是理想的候选，可以比单片超合金减轻50%的重量，同时保持等效的强度和刚度。通常，钛和TiC等微米级钢筋可以提高TMC的强度，但严重牺牲了延展性，这限制了它们在航空航天和国防领域等的发展和应用。众所周知，纳米颗粒将有效降低局部应力浓度，并打破强度-延展性权衡困境。例如，Li等人报告说，晶内碳纳米分散不仅将强度提高了35%，而且还通过位错-纳米粒子相互作用激活了多种硬化机制，从而提高了工作硬化和拉伸延展性。一般来说，在粉末冶金过程中，钢筋通过滚珠铣削或原位反应引入复合材料中。

然而，TMC纳米增强的引入和均匀分散在两个方面仍然存在问题。一方面，球磨很容易带来不必要的污染，以及纳米颗粒的不均匀分散。另一方面，纳米颗粒在TMC固化所需的高温下很容易以粗糙形态生长，最终导致延展性降低。令人惊讶的是，在我们之前的工作中，上述问题可以通过将具有超细网络分布的纳米颗粒种植到钛复合粉末中来解决，这是将纳米增强嵌入TMC的有效方法。

此外，从天然材料中汲取灵感可以帮助设计未来的TMC，以解决强度和延展性之间的不匹配，特别是异质结构，这已经被认为是避免强度-延展性权衡困境的最有效方法之一。上海交通大学吕维洁教授团队通过调整晶粒尺寸，双峰粒异质结构将促进由于粗晶粒（CGs）和细粒（FGs）之间的塑性变形不相容而导致的几何必要位错（GND）的积累，从而影响变形行为。钛基复合材料实现了强度-延展性组合，与基体合金相比，延展性增加了近30%。TMC的双模态结构，以及微纳米增强物及其界面/内颗粒分布，在强化-韧化效果中起着主导作用。相关研究成果以“Evading the strength and ductility trade-off dilemma in titanium matrix composites through designing bimodal grains and micro-nano reinforcements”发表在期刊Scripta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223003482

图1

本研究中三种类型候选人的准备示意图。

图2

(a) 双模态 TMCs的单轴拉伸工程应力-应变曲线,矩阵 Ti6Al4V合金和同质 H-5% TMCs, (b) 拉伸特性, (c) 单轴拉伸真实应力-应变曲线和相应的应变硬化率与真实应变曲线, (d) 双模态 TMC的加强和强化和强化效率与 TiB和/或激光沉积 TMC与 TiB和/或 TiC增强的比较,其中蓝色圆圈代表烧结 TMC与网络结构,绿色三角形代表激光沉积TMCs橙色正方形代表均匀烧结 TMC，黑色钻石代表铸造 TMCs。

图3

双峰TMC的微观结构。（a）三维重建的IPF图和（b）相应的相图，（c）显示晶粒形态的放大IPF图，（d）显示微观结构的放大相图，（e，f）双峰TMC的TEM显微图和显示TiC（e）和TiB（f）相的形成的相应SAD模式，（g）TiB-Ti界面的高分辨率（HR）TEM图像和相应的（h）快速傅里叶变换（FFT）模式和（IFFT）逆FFT（ift），（j）CG和FG区域的硬度，（k）FG区域的颗粒大小分布，图3a，（l）分别在图3a中CG和FG区域的错位角分布（MAD）。

图4

加强双模态TMC的强化机制。B-3.5% TMC的KAM图（a）在拉伸测试之前和（b）之后，（c）图4b中沿红线从FG区域到CG区域的相应GND密度分布，（d，e）插入SAD模式的TEM图像分别显示FG区域TiB和TiC周围的位错积累，（f）插入SAD模式的TEM图像显示CG区域的位错积累，（g-h）B-3.5%TMC和Ti6Al4V合金的LUR应力应变曲线和背应力应变曲线，（i）加强双模态TMC的各种增强机制的贡献。

图5

双模态TMC拉伸变形过程中的位错行为有助于理想的延展性。（a）典型双模态TMC的IPF图，突出显示一些CG和FG，（b）图5a中CG的滑移痕迹，（c）图5a中FG的滑移痕迹，（d）双模态TMC拉伸变形过程中的位行为示意图。

总之，这项工作成功设计了一种新型异质优化的TMC，具有双模态晶粒和微纳米增强，与基体合金相比，获得了强度-延展性组合，其延展性增加了近30%。异质颗粒以及微增压和纳米增强材料之间的协同效应是高强度和良好延展性的原因。此外，各种错位行为，包括多次滑移、跨GB的滑移传输以及钢筋附近更多〈c a〉错的日益激活，共同促进理想的延展性。这些结果凸显了改善金属基复合材料机械性能的未开发潜力。