《MSEA》粉末冶金工藝,製備高強高塑性異質結構材料

2020-12-04 孜然學術

導讀：本研究以粉末冶金製備Fe-Cu複合材料，微觀結構為非均質片層狀，異質結構可獲得高強度和高延展性的優異性能。

材料異質結構（HS）主要是材料不同區域具有明顯強度差異，由於其在強度和延展性方面的出色結合，引起了材料界的廣泛關注。一般來說具備包括梯度結構，諧波結構，異構層狀結構，雙峰結構，雙相結構和層壓結構等特殊結構的材料均被認為是異質結構材料，其中異構層狀結構（HLS）被認為是近乎理想的結構，具有出色的機械性能，在工程應用中極具潛力，為了進一步研究HLS材料的異質變形引起的強化機理並優化其機械性能，從這三個方面（界面密度，強度差異以及幾何形狀）對HLS進行優化。但是HLS的形成對退火之前的塑性變形和退火條件敏感，並且在退火過程中三個參數會同時發生變化，因此很難獨立地調整這些異質結構參數，需要探索新方法來調整異質結構。

粉末冶金作為一種成熟的材料加工技術，已成功地製造出多種金屬材料，包括合金，金屬玻璃和納米晶體金屬材料。從邏輯上講，這應該是製造HLS材料的極具研究價值的工藝手段。2020年，Z.K.Li等提出使用粉末冶金和熱機械工藝生產HLS材料的新工藝，生產的HLS複合材料具有優異的強度和延展性。相關論文相關論文以題為「Tuning heterostructures with powder metallurgy for high synergistic strengthening and hetero-deformation induced hardening」發表在Materials Science & Engineering A上。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139074

文中具有x％銅體積分數的HLS Fe-Cu樣品被標記為Fe-xCu，包括Fe-15Cu，Fe-30Cu和Fe-40Cu。圖1a–c顯示了Fe-15Cu，Fe-30Cu和Fe-40Cu樣品的橫截面光學顯微照片。拉長的銅疇沿軋制方向嵌入鐵基質中。隨著添加更多的銅粉，Fe-Cu疇界面的密度變大。維氏硬度結果顯示，在所有複合材料中，鐵域材料和銅域材料的硬度幾乎保持不變，表明強度差保持不變。

圖1 （a-c）分別為Fe-15Cu、Fe-30Cu和Fe-40Cu樣品的光學顯微照片；（d）維氏顯微硬度

圖2a–c顯示了HLS Fe-Cu樣品的微觀結構。在所有的Fe-Cu樣品中，鐵疇是粗晶粒的，而銅疇是細晶粒的，表明鐵和銅疇的機械性能不會隨著銅含量的增加而變化。在放大的EBSD圖像表明燒結效果良好，在銅晶界處的沉澱鐵相阻礙了銅晶粒長大，經過退火晶粒尺寸保持在1μm左右。

圖2 （a）Fe-15Cu、（b）Fe-30Cu和（c）Fe-40Cu的ICCM圖像；（d）Fe-40Cu樣品EBSD圖像

圖3a顯示了純鐵樣品和HLS Fe-Cu樣品的工程應變-應力曲線。純鐵樣品均勻伸長率約為1.4％，在580MPa的屈服強度後很快開始頸縮。根據維氏硬度結果，銅在鐵疇中的析出形成第二相後，強度貢獻量大約為60MPa，對延展性產生負面影響。因此，HLS Fe-Cu樣品的屈服強度640 MPa，均勻伸長率約為1.4％。強度和延展性的出色結合歸因於協同加強和HDI硬化。在HLS Fe-Cu樣品變形期間，軟銅疇首先開始屈服，而硬鐵疇保持彈性。這是一種異質變形方案，其中銅疇比鐵疇承受更大的應變。由於在鐵和銅疇之間需要連續應變，因此在Fe-Cu疇界面附近的軟銅疇中會產生塑性應變梯度。塑性應變梯度會在軟銅疇中產生反應力，使銅疇顯得更強；在硬鐵疇中產生正向應力，從而使鐵疇顯得較弱。背向應力和正向應力之間的相互作用不是零和博弈，它會產生HDI應力，從而增加HLS Fe-Cu複合材料的整體屈服強度。在整個HLS樣品屈服之後，軟銅域的應變要比硬鐵域高得多，產生近鐵銅域接口塑性應變梯度。塑性應變梯度隨著應變分配的增加而變大，從而產生由異質變形引起的額外的加工硬化。

圖3 （a）純鐵和（b）Fe-15Cu、Fe-30Cu和Fe-40Cu HLS試樣的工程應變-應力曲線和應變硬化曲線；（c）Fe-Cu-HSL試樣與均勻IF鋼試樣的強韌對比

LUR測試以進一步探究協同增強和HDI硬化對HLS Fe-Cu複合材料機械性能的影響。HDI應力和HDI硬化對HLS Fe-Cu複合材料力學性能的貢獻隨著銅體積分數的增加而增強。原因是添加更多的銅會增加Fe-Cu域界面的密度，隨著Fe-Cu疇界面密度的變化，鐵疇和銅疇之間的強度差幾乎保持不變。因此，它不會影響本研究中的協同強化和HDI強化。

圖4 （a）純鐵和Fe-Cu-HLS樣品的LUR應變-應力曲線；（b）磁滯回線的比較；（c）HDI應力的比較；（d）HDI硬化速率

總之，通過粉末冶金和隨後的熱機械處理，生產出非均質的片狀結構的Fe-Cu複合材料。異質結構獲得了高強度和高延展性的優異機械性能。結果表明，額外的強化和額外的應變硬化歸因於HDI的強化和硬化。隨著Fe-Cu疇界面密度的增加，它們的作用也越來越強。因此粉末冶金生產HLS材料是一種極具前景的工藝方法。（文：衣兮）

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