西北工大發表頂刊綜述IF=31.56:金屬材料在高應變速率下的剪切局部化

2021-02-13 材料學網

近日，西北工業大學閆娜教授和美國加利福尼亞大學、中科院金屬所合作在材料領域頂刊綜述期刊「Progress in Materials Science」IF=31.56上發表題為「Shear Localization in Metallic Materials at High Strain Rates」的長篇綜述論文。自從提出這一概念以來，發表了2000多篇關於這一主題的論文，有1400多篇論文屬於材料科學範疇，大約1300篇論文屬於力學領域，同時也涉及到物理、工程、冶金工程或晶體學等主要領域。到2020年，總引用次數將接近4萬次。大家應該明白，這些數字是相當高的，在這篇綜述中，作者將大量的文獻進行了系統化總結。論文連結：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100755作者綜述了從剪切帶的產生到剪切帶擴展的理論和實驗研究進展，重點從新實驗技術、新材料和納米/微觀結構效應三個方面進行了綜述。（1）介紹了納米尺度和微尺度下金屬材料絕熱剪切帶的主要特徵。以前被認定的轉變帶實際上由納米晶/超細晶粒組成。這些晶粒是旋轉再結晶過程破壞微觀結構而形成的。（2）從力學角度分析了hcp、bcc和fcc合金、高熵合金、納米晶合金和金屬玻璃的剪切帶內部微觀結構的演變及其相互作用。（3）確定了該領域的未來研究的方向，現代實驗表徵和計算技術使我們能夠更深刻的預測和理解絕熱局域化，避免其在先進材料中發生。

主要有三個因素決定絕熱剪切局部化:應變硬化(或軟化)，應變速率硬化和熱軟化。它通常與大剪切應變(>1)、高應變速率(103-107 s-1)和高溫(熔點的40-100%)有關，這些都發生在寬度約為1-200 μm的狹窄區域內。剪切局部化會導致材料失效，但在某些情況下，它是可取的。在恆定溫度下，應力隨應變的減小是由熱軟化和由塑性應變產生的熱量所決定的。這些帶是失效的前兆，他們的研究被廣泛進行。在過去的5年裡，這一主題每年發表的論文數量在100篇左右，如圖1 (a)所示。在最近的20年中，web of science被引用的數量顯著增加，如圖1 (b)所示。

圖1 （a）自1996年以來每年關於絕熱剪切帶或絕熱剪切局部化的出版物數量；（b）每年的引文總數

圖1 實驗觀察到HY-100鋼剪切帶的演變過程:(a)在名義應變率為1600 s-1時，剪切帶形成過程的典型應力-應變曲線;(b)-(f)在(a)[101]中標記應變值1-5對應的標稱應變值時，在五個單獨測試中獲得的網格模式照片

圖2 CP鈦在SHPB衝擊載荷作用下剪切帶隨時間的演化:(a)剪切壓縮CP鈦試樣的變形和溫度歷程;(b)顯示動荷載作用下剪切壓縮試樣變形的四張具有代表性的高速攝影快照

圖3 試驗確定和計算的流動應力(塑性應變為0.3)與溫度的函數:紅線表示冷加工，綠線表示預衝擊銅。再結晶在流動應力中產生但不連續，具有明顯的軟化。

圖4 多晶試樣加載(A, B)和卸載(C, D)過程中模擬的溫度變化。溫度分布示意圖對應目標速度-時間曲線上的A、B、C、D點

圖5 絕熱剪切帶形成的序貫階段。(a)應變率為14000 s−1時裝甲鋼的剪切應力-剪切應變曲線；(b)顯示不穩定性(曲線值最大)後局部化的示意圖。

圖6 計算了不同材料中剪切帶溫度隨(a)應變、(b)中心距離和(c)時間的變化規律。

圖7計算得到不同時間(50 µs、100µs、200µs)變形後剪切帶內及周圍的溫度分布: (a)Ti; (b)Mg; (c)Cu; (d)Ti-6Al-4V;(e) AISI 304不鏽鋼。

圖8 (a)大塊金屬玻璃的應力應變曲線;(b)273 K下Zr52.2Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 BMG拋光表面對應的SEM顯微照片;(c)從三種陣列得到的壓痕硬度的平均分布.

圖9 不同金屬材料剪切區域內的顯微硬度:(a)高強度金屬合金;(b)中強度金屬材料。在大多數情況下，在剪切帶區域硬度有顯著增加。

圖10 鋼彈丸以0.5 km·s−1速度撞擊AM60B鎂合金靶體內ASBs的TEM圖像:(a)變形帶;(b)變形帶的典型組織;(c)相應SAED;(d)轉變帶;(e)典型的納米晶(動態再結晶)帶的微觀結構; (f)相應SAED。

圖11 ZK60鎂合金動態變形後的組織:(a)剪切帶的光學金相特徵;(b)剪切區微觀結構的亮場TEM圖像;(c)剪切帶微觀組織的TEM圖像;(d)與(b)所示區域相對應的選定區域衍射圖，標記為1,2,3[331]。

圖12 Al-Cu合金電磁鐓粗剪切帶內部的微觀組織:(a)多組相互交叉的滑帶;(b)滑移帶的局部放大圖;(c)位錯補丁;(d)絕熱剪切帶內的動態再結晶晶粒;(e)晶粒放大圖。

圖12 (a)AISI 4340高強度鋼剪切帶內組織的TEM亮場圖像;(b)對應(a)的衍射圖像;(c)顯示剪切帶內8~20 nm晶粒大小的暗場圖像。

圖13 具有粗晶組織(a)-(c)和細晶組織(d)-(f)的鈦合金(Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe)剪切帶形貌:(a)粗晶鈦合金原始組織;(d)試件剪切帶的光學顯微照片;(b)、(e)剪切帶與基體的界面區域;(c)和(f)剪切帶中心的微觀結構。

圖14 剪切應變為1時Al0.3CrFeCoNi高熵合金抗剪切局部化，變形試樣應變率為:(a) 10-4 s-1;(b)和(c) 1800s -1時TEM亮場圖像;(d)顯示動載荷下變形機制的示意圖;(e)變形的帽狀樣品的光學顯微圖像;(f)變形尖端附近的EBSD圖像;(g)變形尖端附近顯示變形孿晶的EBSD圖像。

圖15 (a) CrMnFeCoNi高熵合金剪切帶的剪切應力、剪切應變和溫度演化;(b) SEM圖像顯示剪切帶寬度約為10μm;(c) CrMnFeCoNi HEA剪切帶內部微觀結構的TEM圖像;(d)旋轉動態再結晶形成的等軸納米晶粒內的再結晶納米孿晶。

圖16 等通道角壓法(ECAP)產生的超細晶鈦的微觀結構破壞和形成的順序:(a)接收到的鈦截面的TEM圖;(b)剪切帶內微觀結構演變示意圖;(c)剪切帶內的等軸晶粒。雖然初始晶粒尺寸為120 nm，但剪切帶內部有進一步細化。

圖17 Ti2B/Al複合材料剪切帶的SEM形貌及剪切帶邊緣至中心的TEM特徵:(a)類流體帶;(b)窄帶;(c)位錯;(d)細晶(小於100 nm);(e)非晶態和納米晶粒。

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