哈工大耿林教授团队Acta Mater.：层状结构在Ti-Al金属层状复合材料塑性改善中的作用

【引言】

高强度和高塑性对于金属结构材料是至关重要的，但它们通常是倒置的。材料的组织很大程度上决定了材料具有的性能，研究人员发现，可以通过改善材料中的微观结构和分布实现对材料的增强和增韧，如层状金属复合材料（LMC）。目前，已有许多变形机制能够很好解释LMC塑性变形行为，但是层状结构设计对整个变形过程的影响并不清楚。层状结构对于LMC变形过程的局域应变（应力）的演化行为研究尚不系统，然而，这对实现复合材料的强韧化调控是关键性的。本文将从局域应变研究入手，通过中子衍射测量LMC拉伸下的晶格应变，并引入X射线断层扫描及数字图像相关（DIC）直接观测局域应变及裂纹分布，构建局域应变（应力）分布与层状结构的关联规律。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学耿林教授、范国华副教授（通讯作者）及共同指导的博士生黄猛等与大连理工大学、上海光源、哈尔滨理工大学、德国赫姆霍兹研究中心、鲁汶大学等单位合作在Acta Materialia上发表题为“Role of layered structure in ductility improvement of layered Ti-Al metal composite”的文章。研究团队通过中子衍射，X射线断层扫描及数字图像相关（DIC）等原位手段表征了在拉伸变形过程中LMC的应力/应变状态和断裂行为，深刻地解释了层状结构对LMC变形行为的影响：层状结构改变了其形变过程中的应力状态，使得LMC形变可明显分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段以及塑性阶段。此外，在LMC形变过程中，层状结构对其微观组织，局域应变分布以及断裂行为存在明显的影响，使得LMC能克服强度—塑性的倒置关系，进而达到良好的性能兼容性。

【图文导读】

图1.LMC的微观组织及取向分析

a. Ti-Al层状金属复合材料的扫描电镜图。

b.沿法线方向的反极图。

c. b图中放大的反极图。

d. Ti层及Al层中晶粒尺寸分布。

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

图2.Ti/Al界面的透射组织图

a. Ti/Al界面明场像。

b. 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像和相应的快速傅立叶变换（FFT）花样。

c. 沿a图红色箭头（表示扫描方向及位置）方向的EDS线扫描。

图3.LMC拉伸工程应力-应变曲线及加工硬化率曲线

a. LMC拉伸工程应力-应变曲线。

b. 加工硬化曲线。载荷方向与横向平行。

图4. 通过原位中子衍射晶格应变演化分析

a. LMC原位拉伸变形过程中的衍射曲线。

b. Al层{111}及Ti层{101}的放大图。

c. LMC由Al{111}和Ti{101}构成的晶格应变演化曲线。

晶格应变-施加应力曲线分为三个阶段：弹性阶段，弹塑性阶段和塑形阶段。

图5. LMC弹性变形下的应力分析

红色和黑色实线或虚线分别表示Ti {101}和Al {111}面的测量值和理论值。

图6. 通过HR-DIC分析不同宏观应变(ε)下Ti的局域应变演化

三种不同方向下单一的Ti在不同宏应变下的HR-DIC分析

a. 宏观应变量0.5%下的局域应变演化。

b. 宏观应变量1.5%下的局域应变演化。

c. 宏观应变量3.0%下的局域应变演化。

d. 宏观应变量4.5%下的局域应变演化。

e. 平均局域应变ε_xx、ε_yy和ε_xy随宏观应变量的定量分析。

图中加载方向平行于横向（x方向）

图7.拉伸变形下LMC的局域应变演化

在不同的宏观应变下沿x方向LMC的HR-DIC分析

a.宏观应变量0%下的局域应变分布。

b.宏观应变量2%下的局域应变分布。

c.宏观应变量4%下的局域应变分布。

d.宏观应变量5%下的局域应变分布。

e.宏观应变量6%下的局域应变分布。

f.宏观应变量8%下的局域应变分布。

随宏观应变量增加，平均局域应变的定量分析：

g. 平均局域应变ε_xx。

_h. 平均局域应变ε_yy。

_i. 平均局域应变ε_xy。

加载方向平行于横向（x方向）

图8. 单一的Ti与LMC结构中Ti的局部应变对比

通过HR-DIC定量分析不同宏观应变下Ti的平均局域应变

a. 等面积的个体Ti和LMC结构Ti。

b. x方向平均应变ε_xx。

c. y方向的平均应变ε_yy。

图9. LMC中Ti层织构演变

在不同的宏观应变下获得的沿横向和法向的相应反极图；拉伸加载方向与横向平行。

图10. 不同宏观应变下LMC裂纹分布的三维形貌

a. 宏观应变为0%。

b. 宏观应变为3.0%。

c. 宏观应变为5.0%。

d. 宏观应变为10.0%。

e. 宏观应变为20.0%。

f. 在宏观应力分别为10.0%和20.0%下的横向-法向二维断层切片。

g. e图中LMC里Ti层颈缩断裂的三维形貌。

图11.裂纹分布的定量分析

a. 不同宏观应力下，界面、Ti层和Al层的裂纹体积分数。

b. 图c中裂纹体积小于400μm³处的裂纹分布。

c. 裂纹体积大于10⁵μm³处的裂纹分布。

图12.LMC变形过程的示意图

图中包括弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段、裂纹萌生和抑制裂纹扩展。实心箭头表示应力，空心箭头表示约束力。

图13. Ti层与Al层组织演化的实验结果与模拟结果对比

上图由EBSD实验并基于Sachs模型和泰勒模型得到，拉伸方向与横向平行。

图14.裂纹和塑性变形对LMC塑性的贡献

【小结】

原位中子衍射、原位DIC以及原位μ-CT共同揭示了层状结构对LMC形变及断裂行为的影响及其强韧化机理。研究发现层状结构改变了LMC在形变过程中的应力状态，其变形可分为三个阶段（弹性阶段、弹-塑性阶段及塑性阶段），变形阶段的划分与组元层的弹性模量、屈服强度及层状结构参数密切相关。在变形不同阶段均存在明显的应力分区现象，尽管这种应力分区行为有利于改善Ti层与Al层间的变形协调性，但同时导致了界面处内应力的累积。此外，在层状结构下，应变转移行为能缓解Ti层的应变局域化，从而提高Ti的塑性。界面处的内应力累积和Ti层应变局域化都能促进裂纹过早在界面处形核，但这些裂纹的扩展受到了层状结构的限制，这是LMC展现出高塑性的原因之一。文章不仅形象有力地揭示了层状结构对LMC塑性改善的作用，而且为研究设计高性能LMC材料指明了新方向。

【文献信息】

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

【团队介绍】

哈尔滨工业大学耿林教授团队主要从事金属及其复合材料的设计、制备和先进表征等研究工作，团队成员范国华副教授近年来从局域应变演化角度认识金属结构材料的变形与力学行为，在电镜、原子力显微镜、同步辐射光源等发展了多尺度局域应变表征装置和方法，选择层状结构模型材料深入分析了局域应变调控对力学特性的影响，并进一步在层状TiAl金属间化合物和镁合金中示范验证了局域应变/应力控制的重要性，完成了“理论→装置与方法→典型材料验证”的系统研究。具体上，与丹麦技术大学、大连理工大学、德国赫姆霍兹研究中心、上海同步辐射光源、北京同步辐射光源、台湾同步辐射光源、以及美国APS、ALS光源等长期深入合作，利用原位DIC，中子衍射，同步辐射μ-CT，白光劳厄衍射，高能x射线微束衍射等手段研究金属结构材料形变领域相关的前沿科学问题。在Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Scripta Materialia、Metallurgical and Materials Transactions A、Philosophical Magazine Letters等发表SCI论文40多篇，国内外学术会议上多次作特邀报告。

【相关工作汇总】

【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.

工作简介：以典型Ti/Ti₃Al层状复合材料为例，使用原位EBSD、同步辐射断层扫描技术、数字图像关联技术等先进表征手段，系统研究了强界面约束作用下塑/脆多层复合材料的变形机制与断裂损伤行为，发现了室温下有序Ti₃Al相的锥面滑移及塑性变形行为，从理论和实验两个角度提出并验证了基于平面应力状态下裂纹尖端塑性区的微观力学模型，探讨了室温下层状复合材料微观应力/应变的传递机制。

【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.

工作简介：该研究工作旨在使用层状结构设计改善金属基复合材料脆性大的难题，发现了金属结构材料的宏观力学性能是受其微观应变分布控制的，而层状异质构型设计能够显著地抑制应变的局域化，因此提高了复合材料的微观损伤容限。该结果为控制微观应变集中进而改善复合材料力学性能提供了理论依据。

【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.

工作简介：针对Ti3Al在Ti(Al)过饱和固溶体中的取向析出行为，使用原位透射电镜、几何相位分析、第一性原理计算等手段，发现Al固溶促进了Ti基体中层错的形成，优先形成于柱面的层错充当了Ti3Al的形核质点，进而诱发了取向析出现象。该研究结果为控制缺陷种类和分布进而调控其析出行为提供了实验证据。

【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.

工作简介：通过对稀土镁合金（Mg-8.2Gd-3.8Y-1Zn-0.4Zr，wt.%）进行热挤压及时效处理，实现长周期堆垛有序(LPSO)相、细小再结晶晶粒和形变晶粒的近层状构型分布，大幅改善合金的强度与塑性，制备了目前具有最佳强韧性的稀土形变合金。通过对该合金在塑性变形过程中的局域应变分布及断裂行为进行定量表征，发现合金组元相的近层状分布可以抑制应变集中，进而改善合金塑性变形能力，验证了构型设计对传统金属材料的强韧性同步提升的有效性，为高性能镁合金开发提供了一种新思路。

本文由材料人编辑部金属组熊富豪编辑，通讯作者范国华教授修正供稿。点我加入材料人编辑部。

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