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共晶合金微观组织和力学性能的五十年发展!

导读:近日,印度理工学院Chandra Sekhar Tiwary教授团队在国际材料领域著名期刊Progress in Materials Science上发表了题为“Five decades of research on the development of eutectic as engineering materials”的顶刊综述,IF=31.56该论文对共晶合金的发展进行了回顾和展望,重点介绍了三元及高阶多组分合金共晶凝固过程中出现的复杂组织。综述了近年来高熵合金的研究进展,以铝、钛、镍、金属间化合物等共晶合金为例,主要研究了共晶合金的显微组织和力学性能。强调了超细共晶和多尺度长度、尺度和形貌变化的可能性。它突出了未来这些合金作为工程应用的高强度结构材料出现的巨大潜力。

共晶合金为发展高强度结构材料提供了新的机遇。二元合金共晶反应过程中组织演变的初步研究导致了重要工程材料得到了广泛的应用。然而,其他共晶合金固有的脆性阻碍了进一步的研究。近年来,人们对三元及高阶共晶合金的研究揭示了在新型凝固技术下复杂组织的演化 ,包括快速凝固技术和激光辅助加工,可以控制这些组织的长度尺度到纳米级。纳米共晶和不同长度尺度的多模结构的出现,深刻地影响了共晶组织合金的发展。长度尺度的减小增强了共晶合金的强度。多模块组织(包括共生的初级相)和长度尺度的耦合并引入局部剪切带,提高塑性和断裂韧性。


本文从结构应用的角度简要地总结关于共晶合金的现有资料。接着讨论了当前的趋势和前景,根据适合于在三个特定温度域应用的系统对它们进行了分类。其中低温领域以铝合金为代表,中温领域以钛和铜合金为代表,高温领域以镍基高温合金和其他类似合金为代表。

图1:(a)不同材料的强度与最高使用温度的Ashby图。(b)不同结构材料及其共晶材料的强度与最高使用温度的关系。(c)不同强化机制在室温和高温下的强度变化示意图。共晶合金的典型拉伸应力/应变曲线:(1)韧性基体-脆性纤维或韧性基体-脆性片层,(2)韧性基体-韧性纤维,(3)韧性基体-韧性纤维。(5)单晶锌铝共晶合金[1]的锯齿形应力/应变曲线。


图2 由不同形貌的共晶片组成的复杂共晶合金的电蚀SEM显微图。


图3 (a)不同片层间距下能量密度与百分比应变的关系。插图:在拉伸和压缩试验中,不同片层间距的工程应力与百分比应变的实验图。(b)分子动力学(MD)快照模拟了I和3%应变时3个层板间距(6、20和150 nm)

图4 (a)吸力铸造Al-4Ni-0.6Cr合金的背散射SEM图像,显示了从中心到集落边界共晶空间增加的双重形态。(b)和(c)使用TLD(通过透镜)探测器的扫描电镜图像阐明了在共晶菌落和菌落边界 中存在的双形态,即棒和板。(d)铸态Al- 2ni - 2cr合金背散射电镜显微图

图5 背散射电镜观察Al-3.1Ni-0.1Fe合金,发现其中心为棒状共晶菌落,边界处为片状共晶。(b)显示共晶二元形态的示意图。(c)屈服强度与温度的关系


图6 (a)各种开发的Al基合金屈服强度与延性曲线。(b)二元和三元Al基共晶的屈服强度与共晶间距图。开放符号表示杆间距,而封闭符号表示片层间距。


图7 (a) Ni-32.5 at.% Sn凝固组织在49 K 。(b)在3.3 x 10-4 cm/sec (x235倍率)下冷冻的共晶Ni-C试样的纵向抛光截面 。(c)定向凝固Ni-Ni,Si共晶复合材料20.0 mm/h的横向光学显微图 (d)管径为300 um时Ni-Mo合金的微观组织 。(e)和(f)分别在R=1.45 cm/h和R=1 cm/h时的横断面Ni-W组织 。


图8 (a) x = 0.5时NiAl-28Cr-6Mo-xTa共晶合金的SEM显微图
。(b) NiAl基体和富cr金属相之间界面位错(标记为'ID')的TEM显微图。

图9 (a) Ni-Al-Zr三元体系的液相线投影。(b) Ni3Al-NisZr, (c)和(d) Ni,Al-NiZrz和NiAl-NijZrz共晶。(e)和(f) 3D图像,尼萨尔-尼斯尔 [14,201].


综上所述,复合共晶为开发一类新型超高强度材料提供了契机。然而,实现这一潜力仍面临重大挑战。通过增材制造、合金化和扩散控制来设计短长度尺度的微结构是解决这一挑战的一些可能方法。在较高操作温度下的长期稳定性和环境兼容性仍然是一个重要的问题。任何具有不同长度、尺度和成分的复杂微观结构。有关粗化和蠕变行为的研究工作较少,今后还需进一步开展。许多超高强度共晶材料的延性有限。有效地使用这些材料需要设计理念上的转变。因此,长度尺度控制的复杂多模共晶材料作为一种新型的未来高强度材料需要引起人们的高度重视。


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