乔珺威在Int. J. Plast.成果:非晶复合材料中成分设计的理论模型——类霍尔佩奇关系


       相比于传统晶态合金,由于长程无序的原子结构,块体非晶合金具有诸多独特的力学性能,例如高的屈服强度与硬度、大的弹性极限、优异的抗腐蚀性能和耐磨性能等。然而,在室温准静态拉伸的载荷下,由于高度局域化剪切带的形核并快速扩展,块体非晶合金通常表现为灾难性的脆性断裂。


       为了改善这一限制非晶合金应用于结构工程材料的缺点,近年来在非晶合金中引入具有韧性的晶体第二相来阻碍主剪切带的快速扩展以及促使多重剪切带的形成,制备出兼顾高强度和高韧性的晶体相增韧的非晶复合材料。

       日前,太原理工大学乔珺威教授(通讯作者)在International Journal of Plasticity上发表了一篇名为 " Universally scaling Hall-Petch-like relationship in metallic glass matrix composites" 的文章。

       研究论文讨论了非晶复合材料中一般性的规律,即类霍尔佩奇关系。本课题选取由位错滑移机制为主导塑性的、树枝晶增韧的非晶复合材料,建立起非晶复合材料中位错塞积模型。通过对树枝晶中位错运动具体过程和位错间相互作用力的分析,结合非晶复合材料特殊的结构特征,推导出屈服强度与树枝晶尺寸的定量关系。

       并且利用平均场理论,大数据统计分析非晶复合材料成分-微观组织结构间的定量关联。对树枝晶枝晶臂的尺寸进行统计,并将成分参量引入,预测成分参量对于树枝晶枝晶臂直径的累计概率密度分布的影响。提出累计概率密度分布的临界值,建立起成分参量与此体系下非晶复合材料枝晶尺寸临界值的关系,从而达到预测枝晶尺寸的目的。

       基于以上两点考虑,可以构建出成分-组织-屈服的定量函数关系,从而做到对内生非晶复合材料进行成分设计。


图1:树枝晶增韧非晶复合材料结构特征

图1 (a)非晶复合材料铸态的扫描图;(b)复合材料的XRD图谱;(c)和(d)分别是树枝晶和非晶基体的选取电子衍射图谱

       作为模型材料,名义成分是Ti50Zr20V10Cu5Be15 (atom%)是一种典型的树枝晶增韧的非晶复合材料。晶体第二相弥散分布在成片的非晶基体上。


图2:非晶复合材料中位错塞积模型

图2 (a)是拉伸变形后样品的TEM明场像;(b) 非晶复合材料中位错塞积示意图

       非晶复合材料在变形过程中,树枝晶中产生位错滑移并塞积于两相界面处。当作用于界面处的切应力达到非晶基体的临界面型切应力后,非晶中剪切带形核并快速扩展,并将应力传递至下一个晶粒中,引起位错滑移。


图3:内生非晶复合材料体系中的类霍尔佩奇关系

图3 非晶复合材料屈服强度与树枝晶枝晶臂直径负二分之一次幂的线性关系图

       对于众多的内生非晶复合材料体系,例如钛基、锆基、镁基与镧基,并且在不同的样品制备方法中,例如铜模吸铸和定向凝固,这种类霍尔佩奇关系都被证实是成立的。


图4:平均场理论构建成分组织关系

图4(a) Ti-Zr-V-Cu-Be体系的非晶复合材料树枝晶枝晶臂直径的累计概率密度分布图;(b)屈服强度与成分参数的曲线。

       利用平均场理论,即通过对同一体系非晶复合材料晶粒尺寸进行大数据统计,并将成分参量引入,便可以得到组织与成分参量间的定量函数关系。

       将此函数关系结合类霍尔佩奇关系,建立起了成分参量与此体系下非晶复合材料屈服强度的关系。

       制备内生非晶复合材料的方式可以提高非晶合金的塑性变形能力。而为了得到综合性能更加优异的复合材料,需要衡量晶体第二相的加入对性能的影响。本研究成功构建出非晶复合材料中成分-组织-性能的定量关系,为内生非晶复合材料的成分设计提供了理论参考。

        乔珺威,太原理工大学材料科学与工程学院教授,博士生导师,材料科学与工程学院副院长,亚稳态金属材料研究团队负责人。

        乔珺威团队供稿,非晶中国整理编辑。


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