耿　林，范國(guó)華

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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金屬基復(fù)合材料的構(gòu)型強(qiáng)韌化研究進(jìn)展

耿林，范國(guó)華

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

構(gòu)型設(shè)計(jì)是解決金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度與塑性(韌性)倒置關(guān)系的一種重要途徑，揭示構(gòu)型設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)行為的影響規(guī)律是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料可設(shè)計(jì)、可調(diào)控的關(guān)鍵。金屬基復(fù)合材料的構(gòu)型設(shè)計(jì)不僅產(chǎn)生了組元相的微觀組織的變化，同時(shí)也導(dǎo)致了受載條件下局域應(yīng)變(應(yīng)力)狀態(tài)的改變，局域應(yīng)變(應(yīng)力)狀態(tài)的變化將會(huì)明顯影響金屬基復(fù)合材料的力學(xué)特性。同步輻射X射線、中子衍射、數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展為我們?cè)环治鰪?fù)合材料的局域應(yīng)變(應(yīng)力)演化行為提供了有力手段，使我們可以建立起“局域應(yīng)變(應(yīng)力)演化”-“強(qiáng)韌化機(jī)制”-“構(gòu)型化設(shè)計(jì)”三者的關(guān)系，將有助于提升調(diào)控復(fù)合材料性能的能力。本文介紹了構(gòu)型強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展，提出基于局域應(yīng)變測(cè)量的復(fù)合材料構(gòu)型強(qiáng)韌化機(jī)制研究思路，并論述了構(gòu)型化設(shè)計(jì)在金屬間化合物基復(fù)合材料中的典型應(yīng)用。

金屬基復(fù)合材料；構(gòu)型設(shè)計(jì)；局域應(yīng)變；強(qiáng)韌化；金屬間化合物

1　前　言

金屬材料由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能、加工性能和導(dǎo)電導(dǎo)熱等功能性，是人類社會(huì)發(fā)展最重要的結(jié)構(gòu)材料。近一個(gè)世紀(jì)以來，金屬結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度水平的不斷提高，推動(dòng)著相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域和人類社會(huì)生活的不斷進(jìn)步。輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金的出現(xiàn)推動(dòng)了飛機(jī)的誕生和發(fā)展；作為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵材料，其金屬高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展又不斷推進(jìn)航空航天領(lǐng)域的進(jìn)步；汽車的減重和降耗很大程度上依賴于高比強(qiáng)度金屬的開發(fā)和應(yīng)用。在金屬結(jié)構(gòu)材料研究中，強(qiáng)化金屬材料一直是材料科學(xué)家不懈追求的目標(biāo)，強(qiáng)度也成為衡量金屬材料性能的重要指標(biāo)。然而，在大多數(shù)情況下，隨著金屬材料強(qiáng)度的提高，塑性和韌性下降，強(qiáng)度-塑性(或韌性)呈現(xiàn)明顯的倒置關(guān)系，強(qiáng)度越高，這種倒置關(guān)系越明顯。隨工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在高強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，又要求金屬材料具有良好的塑性和韌性。例如，基于節(jié)能降耗考慮，汽車用鋼板除要求具有高強(qiáng)度外，還需要有良好的加工成形性能，對(duì)材料的塑性和韌性提出了更高要求。高強(qiáng)度金屬的低塑性、低韌性在一定程度上限制了其在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。所以，金屬材料科學(xué)發(fā)展和工業(yè)技術(shù)應(yīng)用需求，都對(duì)高強(qiáng)韌性金屬結(jié)構(gòu)材料提出了挑戰(zhàn)。

針對(duì)金屬材料科學(xué)發(fā)展和工業(yè)技術(shù)應(yīng)用的需求，圍繞如何提高金屬結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)韌性，國(guó)內(nèi)外材料研究人員開展了廣泛的研究。由中科院先進(jìn)材料領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組編寫的《中國(guó)至2050年先進(jìn)材料科技發(fā)展路線路線圖》，將金屬結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)韌化作為重點(diǎn)發(fā)展方向和需要突破的關(guān)鍵技術(shù)；美國(guó)、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家也都將傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料的高性能化列入到重點(diǎn)發(fā)展的方向，特別是日本，由于資源限制，近幾年加大了對(duì)這一領(lǐng)域的研究力度[1]?？傮w上，微觀組織調(diào)控與復(fù)合化是兩種提高金屬材料強(qiáng)韌性的最有效途徑。前者主要通過合金化[2,3]、晶粒尺寸控制[4]、變形[5]等提高金屬材料的強(qiáng)韌性。我國(guó)科學(xué)家在組織調(diào)控提高金屬材料強(qiáng)韌性這一研究領(lǐng)域處于世界先進(jìn)水平。特別是國(guó)家自然科學(xué)基金委通過“金屬材料強(qiáng)韌化的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備”重大項(xiàng)目凝聚了由盧柯、劉慶、張哲峰、曲紹興等科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)，在多尺度金屬結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)、制備及強(qiáng)韌化機(jī)制等方面取得了一系列原創(chuàng)性研究成果[6]。特別是盧柯研究組通過控制納米孿晶銅的孿晶界寬度[7]、粗晶銅表面梯度納米化[8]，獲得了高強(qiáng)韌和高塑性的銅，達(dá)到了組織調(diào)控提高金屬?gòu)?qiáng)韌性的極限。美國(guó)南加州大學(xué)Langdon TG研究組通過強(qiáng)塑性變形獲得了Cu-Zn合金很好的強(qiáng)度和韌性[3]。美國(guó)加州大學(xué)Mishra教授在大量研究的基礎(chǔ)上綜述了納米晶材料的力學(xué)性能及影響強(qiáng)韌性的因素[4]。西安交通大學(xué)孫軍研究組與美國(guó)霍普休金斯大學(xué)馬恩教授合作[2]，采用納米稀土氧化物摻雜控制氧化物分布獲得了高強(qiáng)度大延伸率鉬合金，是通過合金化與第二相控制獲得高強(qiáng)韌性金屬的典范。

2　構(gòu)型強(qiáng)韌化金屬基復(fù)合材料研究概況

圖1　層狀鋼與常用鋼材強(qiáng)度塑性比較[26]Fig.1　Comparisons of strength and elongation between multilayer steels and conventional steels[26]

金屬結(jié)構(gòu)材料的復(fù)合化可以充分發(fā)揮各組元相的分布、含量等的可設(shè)計(jì)性，有望在金屬結(jié)構(gòu)材料的高強(qiáng)韌化上取得突破。上海交通大學(xué)張荻教授等人提出控制各組元相(基體、增強(qiáng)體等)的分布狀態(tài)進(jìn)行復(fù)合構(gòu)型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了金屬結(jié)構(gòu)材料的“構(gòu)型強(qiáng)韌化”[9]。國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)家在通過復(fù)合材料構(gòu)型設(shè)計(jì)強(qiáng)韌化金屬結(jié)構(gòu)材料方面做了一些探索研究，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)體或組元相的網(wǎng)狀[10]、雙連通[11]、層狀[12,13]、梯度[14]等分布的復(fù)合材料能夠充分發(fā)揮金屬?gòu)?fù)合材料(包括金屬基復(fù)合材料和金屬/金屬?gòu)?fù)合材料)的性能潛力，實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的最優(yōu)化配置。其中，層狀結(jié)構(gòu)的金屬?gòu)?fù)合材料由于構(gòu)型相對(duì)簡(jiǎn)單、制備方法多樣而備受關(guān)注。從層間厚度尺寸上分，主要包括納米層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和微米層狀結(jié)構(gòu)材料。20世紀(jì)80年代末90年代初微米層狀結(jié)構(gòu)金屬/金屬?gòu)?fù)合材料被廣泛地研究，在復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制上獲得了較為明確的結(jié)果，但塑性方面的數(shù)據(jù)較為分散，缺乏塑性變形行為的細(xì)致研究[15-17]。最近十幾年來，隨著材料制備加工與表征技術(shù)的發(fā)展，層狀金屬?gòu)?fù)合材料的研究又成為研究熱點(diǎn)。受仿生貝殼結(jié)構(gòu)啟發(fā)[18]，美國(guó)加州大學(xué)Ritchie研究組采用冰凍鑄造法[13]，利用陶瓷漿料的定向凝固預(yù)先制備陶瓷骨架，然后浸滲Al-Si共晶合金，制備了Al2O3/Al-Si微米層狀復(fù)合材料，展示出層狀復(fù)合構(gòu)型設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。德國(guó)埃朗根紐倫堡大學(xué)G?ken研究組[19-21]、中科院金屬所張廣平研究組[22,23]通過軋制復(fù)合或疊軋法制備微米層狀鋁合金或銅復(fù)合材料，獲得了高強(qiáng)韌性復(fù)合材料，證實(shí)層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠避免復(fù)合材料塑性失穩(wěn)。作者所在的課題組也通過這一方法制備了高韌性的Ti-(SiCp/Al)層狀復(fù)合材料[24]。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室Miracle研究組利用粉末冶金法制備了層狀顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并且獲得了高韌性[25]。需要特別提到的是日本東京大學(xué)Koseki研究組采用軋制復(fù)合技術(shù)制備了多種體系的塑性層/脆性層交替的微米層狀鋼復(fù)合材料[26]，通過層狀設(shè)計(jì)，鋼材強(qiáng)韌性得到極大提升，目前這種鋼材已經(jīng)用于汽車構(gòu)件中(相關(guān)性能見圖1)。在納米層狀復(fù)合材料研究方面，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Hoagland研究組[27,28]、中科院金屬所張廣平研究組[29,30]采用磁控濺射制備了Cu/Nb、Cu/Au、Cu/Cr等多種納米層狀復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的強(qiáng)塑性與某一納米臨界尺度有關(guān)。特別需要提到的是，上海交通大學(xué)張荻研究組[31]利用層片粉末冶金方法(Flake powder metallurgy)制備了較大尺寸的高強(qiáng)韌納米層狀鋁基復(fù)合材料，有望將納米層狀復(fù)合材料推向?qū)嵱没?/p>

3　金屬?gòu)?fù)合材料構(gòu)型強(qiáng)韌化機(jī)制初探

國(guó)內(nèi)外金屬材料強(qiáng)韌化方面的研究，特別是通過層狀復(fù)合構(gòu)型設(shè)計(jì)提高金屬結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)韌性的研究，證實(shí)了層狀構(gòu)型設(shè)計(jì)的可行性。隨之而來的問題是：層狀構(gòu)型設(shè)計(jì)為什么能提高金屬結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)韌性？除了上述研究中已經(jīng)提出的界面約束效應(yīng)、層間尺寸效應(yīng)、多界面效應(yīng)、組元層力學(xué)性能耦合效應(yīng)等，更本質(zhì)的原因是什么？

我國(guó)金屬材料強(qiáng)度學(xué)科奠基人周惠久先生曾這樣論述金屬和多相金屬材料的塑性變形行為[32]：“實(shí)際金屬(多晶體)塑性變形的一個(gè)特點(diǎn)是塑性變形的不均一性，這種不均一性不僅表現(xiàn)在基體金屬的各個(gè)晶粒之間以及基體金屬晶粒與第二相晶粒之間，即使同一個(gè)晶粒的內(nèi)部也是如此。顯然，這是由于不同基體相晶?？臻g取向不同，第二相晶粒性質(zhì)不同，以及第二相的形態(tài)、分布等原因引起的。其后果是各晶粒/相間塑性變形程度(即變形量的)不一致。當(dāng)從外觀上看整個(gè)宏觀塑性還不大，即大部分晶粒統(tǒng)計(jì)變形量還不大時(shí)，個(gè)別晶粒的塑性變形量可能已經(jīng)達(dá)到極限值，因而在這些地帶將出現(xiàn)裂紋(塑性失穩(wěn))，導(dǎo)致早期的韌性斷裂”(‘個(gè)別晶粒的塑性變形量’產(chǎn)生‘局域應(yīng)變集中’)。國(guó)際著名強(qiáng)度理論專家美國(guó)馬里蘭大學(xué)Armstrong教授在最近的關(guān)于金屬塑性應(yīng)變局域化的長(zhǎng)篇綜述中也重提了這一觀點(diǎn)[33]。從這一表述中可以看出，要改善金屬材料的塑性，必須防止少數(shù)晶粒或區(qū)域的塑性耗盡(局域應(yīng)變集中)，從而提高宏觀塑性變形能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)韌化。所以，分析并控制局域應(yīng)變分布以提高宏觀塑性變形能力就成為問題的關(guān)鍵。香港城市大學(xué)Lu J教授在最近也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了微應(yīng)變的非局域化(Strain non-calization)在提升納米金屬和非晶強(qiáng)韌性上的關(guān)鍵基礎(chǔ)作用[34]。前期通過復(fù)合化提高金屬?gòu)?fù)合材料強(qiáng)韌性的研究大多集中在制備工藝和微觀組織的分析上，較少關(guān)注局域應(yīng)變分布問題。基于上述分析，可以得出：復(fù)合材料的構(gòu)型化設(shè)計(jì)本質(zhì)上調(diào)控了基體和增強(qiáng)體的應(yīng)變(應(yīng)力)狀態(tài)，分析復(fù)合材料形變過程局域應(yīng)變(應(yīng)力)的演化過程，建立“局域應(yīng)變(應(yīng)力)演化”-“強(qiáng)韌化機(jī)制”-“構(gòu)型化設(shè)計(jì)”三者的關(guān)系，將有助于提升我們對(duì)于材料性能的調(diào)控能力。

4　局域應(yīng)變表征與分析

復(fù)合材料在形變過程的局域應(yīng)變和局域應(yīng)力的測(cè)量是揭示其強(qiáng)韌化機(jī)制直接有效的工具。由于金屬材料的密度大、穿透性差，局域應(yīng)力的測(cè)量目前主要通過同步輻射光源和中子衍射，中子衍射的空間分辨率較差，通常在毫米級(jí)。

圖2　局域應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)及其典型應(yīng)用：(a) 基于光學(xué)顯微鏡的測(cè)試系統(tǒng)，(b) 基于原子力顯微鏡的測(cè)試系統(tǒng)，(c) Ti/Al層狀復(fù)合材料原位拉伸作用下的局域應(yīng)變演變Fig.2　Measurement system of local strain and its typical application: (a) based on the optical microscope, (b) based on the atomic force microscope, (c) local strain evolution in Ti/Al composite during tensile test

數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)(Digital Image Correlation, DIC)是一種使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的圖像測(cè)量方法，具有非接觸式、用于全場(chǎng)形狀測(cè)量、變形測(cè)量、運(yùn)動(dòng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，且應(yīng)變測(cè)量范圍廣。通過數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)測(cè)量局域應(yīng)變的方法自上世紀(jì)80年代初由美國(guó)南卡大學(xué)Peter等人提出以來[35]，已經(jīng)日趨成熟，分辨率可以達(dá)到納米量級(jí)，廣泛應(yīng)用到生物材料、半導(dǎo)體、金屬及摩擦表面的局域微應(yīng)變測(cè)量[36-39]。在材料科學(xué)領(lǐng)域，局域材料應(yīng)變信息，直接關(guān)系著塑性變形特征，對(duì)研究材料塑性變形規(guī)律有重大意義。哈工大輕質(zhì)耐熱金屬?gòu)?fù)合材料課題組目前已經(jīng)建立了基于光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和原子力顯微鏡的原位加載局域應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)從幾毫米到納米級(jí)的局域應(yīng)變測(cè)量，有力地支撐了金屬?gòu)?fù)合材料變形與強(qiáng)韌化機(jī)制的研究。圖2a和2b為基于光學(xué)顯微鏡和原子力顯微鏡的復(fù)合材料原位變形局域應(yīng)變測(cè)試裝置。圖2c是利用基于光鏡的局域應(yīng)變分析系統(tǒng)，研究Ti/Al層狀金屬?gòu)?fù)合材料形變過程中的局域應(yīng)變演變特性，發(fā)現(xiàn)了不同層間的變形約束行為，揭示了層狀構(gòu)型設(shè)計(jì)對(duì)材料力學(xué)行為影響的局域應(yīng)變機(jī)制。

5　金屬間化合物基復(fù)合材料構(gòu)型強(qiáng)韌化

TiAl、NiAl系合金及復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比模量和良好的高溫力學(xué)性能，因而有望應(yīng)用于高溫高壓的服役環(huán)境中[40-42]。但較低的室溫塑性、韌性及成形能力嚴(yán)重限制了更廣泛的工業(yè)應(yīng)用[43]。通過材料構(gòu)型的復(fù)合化可以有效地調(diào)控各組元相的分布，實(shí)現(xiàn)其含量的可設(shè)計(jì)性和材料的高性能化[44,45]，因此成為了TiAl、NiAl系金屬間化合物走向更廣泛實(shí)際應(yīng)用的重要途徑。

5.1增強(qiáng)體呈層狀分布的TiB2/TiAl基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)

TiAl基金屬間化合物的力學(xué)性能對(duì)合金的成分和組織極其敏感[46]，通過調(diào)控組織形態(tài)、晶粒大小、合金化元素等方法能夠改善TiAl基金屬間化合物的力學(xué)性能和高溫抗氧化性[47-49]。各國(guó)研究人員圍繞TiAl合金的成分設(shè)計(jì)和組織控制進(jìn)行了許多卓有成效的工作。尤其是美國(guó)GE公司用熔模精鑄法鑄造出Ti48Al2Cr2Nb合金低壓渦輪機(jī)葉片，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量約200 kg，并成功應(yīng)用到波音787飛機(jī)上，推動(dòng)了全球TiAl基金屬間化合物的研究熱潮。但是TiAl較低的塑性無法滿足TiAl結(jié)構(gòu)件的成形要求[50]。TiAl基合金的塑性加工成形對(duì)工藝條件要求苛刻，對(duì)變形設(shè)備要求極高[51,52]。此外，在常規(guī)熱塑性加工中，由于應(yīng)變速率過大以及配料冷卻速度過快，成形過程中材料極易發(fā)生開裂。因此一般采用等溫成形技術(shù)才可能實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的安全成形。但由于TiAl較高的變形抗力(1100 ℃以上其流變應(yīng)力仍高于100 MPa)，現(xiàn)有模具材料難以滿足復(fù)雜構(gòu)件等溫成形的苛刻工藝要求，導(dǎo)致目前掌握的技術(shù)尚無法解決TiAl板材和復(fù)雜構(gòu)件的成形難題。此外，如何通過調(diào)控組織形態(tài)，包括合金化元素和增強(qiáng)體的引入，實(shí)現(xiàn)TiAl材料較為理想的強(qiáng)度和塑性匹配也是TiAl復(fù)合材料工業(yè)應(yīng)用亟需解決的瓶頸問題[53]。

近期發(fā)展起來的利用純鈦和純鋁箔多層軋制復(fù)合和熱處理技術(shù)制備TiAl金屬間化合物板材的方法，為TiAl金屬間化合物板材的制備和應(yīng)用開辟了新的途徑和方法[40,54,55]。這一方法主要通過反應(yīng)退火實(shí)現(xiàn)Ti/Al元素之間的充分?jǐn)U散，最終制備得到TiAl板材，同時(shí)也兼顧解決了TiAl板材難成形的問題[56,57]。以Ti箔和TiB2/Al復(fù)合材料箔為例制備增強(qiáng)體呈層狀分布的TiB2/TiAl板材。最終組織中TiB2特殊的層狀分布主要通過反應(yīng)過程中Kirkendall效應(yīng)[58]及后續(xù)的致密化過程實(shí)現(xiàn)。其主要工藝過程如圖3所示: (a) 多層Ti-(TiB2/Al)復(fù)合板經(jīng)低溫反應(yīng)退火后，單質(zhì)Al消耗完畢，轉(zhuǎn)變成多層Ti-TiAl3-TiB2復(fù)合板[59]。(b) 低溫反應(yīng)退火處理后的材料再在1225 ℃/2 h/60 MPa致密化處理和950～1200 ℃反應(yīng)退火時(shí)，Ti/TiAl3界面形成Ti3Al、TiAl、TiAl2和Ti2Al5等金屬間化合物。(c) 隨著反應(yīng)的進(jìn)行，TiAl3層中的Al繼續(xù)向Ti層中擴(kuò)散，Ti3Al和TiAl層不斷生長(zhǎng)，并且TiAl2和Ti2Al5層消失，達(dá)到TiAl和Ti3Al兩相平衡。(d) 片層化熱處理最終得到TiAl片層組織。具體組織特征如圖4所示，主要由TiB2顆粒增強(qiáng)的TiAl層和層片TiAl層構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)體的層狀分布控制。

通過反應(yīng)退火法制備得到了增強(qiáng)體呈層狀分布的TiB2/TiAl基復(fù)合材料，在750 ℃下抗拉強(qiáng)度達(dá)到了402 MPa，延伸率達(dá)到了5.72%，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的良好匹配。同時(shí)，如果選擇更為合適的增強(qiáng)體種類及含量，比如具有良好傳遞應(yīng)力的針狀TiB晶須，材料的性能可能更加優(yōu)異。這一設(shè)計(jì)思路已成功應(yīng)用于Ti3Al[61]并有望推廣到其他Ni-Al、Fe-Al、Nb-Al系金屬間化合物中。

圖3　反應(yīng)退火法制備TiB2/TiAl基復(fù)合材料：(a) 低溫?zé)崽幚? (b) 致密化熱處理, (c) 均勻化熱處理, (d) 片層化熱處理[42]Fig.3　Fabrication of TiB2/TiAl composites by reaction annealing: (a) low temperature heat treatment, (b) densification treatment, (c) homogenization annealing, (d) lamellar annealing[42]

圖4　TiB2/TiAl基復(fù)合材料的組織表征：(a) 金相照片， (b) TiB2富集區(qū)及TiAl片層組織示意圖，(c) TiB2富集區(qū)和(d) TiAl片層在[110]γ 和方向的TEM照片[60]Fig.4　(a) Metallograph of the multi-layered TiB2/TiAl composite sheets and (b) a corresponding schematic illustration of the layered structure of TiB2-rich layers and the lamellar γ-TiAl/α2-Ti3Al structure, TEM images of (c) TiB2-rich layer and (d) the lamellar γ-TiAl/α2-Ti3Al structure imaged in the [110]γ and 0]α2 direction[60]

5.2晶粒尺寸呈層狀分布的NiAl金屬間化合物的設(shè)計(jì)

晶粒尺寸梯度分布的金屬材料已受到材料研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。近年，中科院金屬所盧柯、南京理工大學(xué)朱運(yùn)田等進(jìn)行了大量的探索，發(fā)現(xiàn)這種獨(dú)特的晶粒組織形態(tài)具有極為優(yōu)異的力學(xué)性能。通過對(duì)銅金屬的表面研磨處理后，室溫延伸率沒有下降，但材料的屈服強(qiáng)度提高了一倍[8]。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于Fe[62]、Ti[63]等傳統(tǒng)金屬中，同樣也對(duì)諸如NiAl等金屬間化合物的合成具有指導(dǎo)意義。

Ni-Al二元相圖(圖5)提供了利用元素板堆垛和固液法一步合成NiAl金屬間化合物的可能性，通過不同組分熔點(diǎn)的差異調(diào)控NiAl晶粒的形核及生長(zhǎng)行為，進(jìn)而得到晶粒尺寸呈雙峰分布的復(fù)合材料(圖6)[64-66]。整個(gè)制備過程類似于利用Ti箔和Al箔制備TiAl基復(fù)合材料，但不同的是，Ni/Al之間較高的反應(yīng)活性允許材料的一步 快速合成[41,67]，而在Ti/Al擴(kuò)散偶中必須經(jīng)歷低溫反應(yīng)退火(反應(yīng)溫度約為Al熔點(diǎn)附近)使得低熔點(diǎn)的Al轉(zhuǎn)變?yōu)楦呷埸c(diǎn)的TiAl3相，以防止高溫反應(yīng)退火過程中Al液流出導(dǎo)致的成分偏差[50,68]。

這種晶粒尺寸呈層狀分布的NiAl金屬間化合物表現(xiàn)出極為優(yōu)異的力學(xué)性能。相比于傳統(tǒng)NiAl，其室溫?cái)嗔秧g性提高了一倍[64]。前期的分析主要基于粗晶NiAl層和細(xì)晶NiAl層對(duì)裂紋擴(kuò)展及形核的抗力不同。但最近的研究表明：層狀結(jié)構(gòu)改變了材料在變形過程中的應(yīng)力狀態(tài)，賦予了材料更高的加工硬化能力和塑性潛能[69]。通過模擬[62]和力學(xué)模型[70]的計(jì)算可以推測(cè)這種特殊的層狀材料在變形過程中的應(yīng)力狀態(tài)。以拉伸試驗(yàn)為例，層狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)型化設(shè)計(jì)使得單向拉應(yīng)力變?yōu)榱藦?fù)雜的兩向或多向應(yīng)力狀態(tài)[69]。但由于材料在變形過程中實(shí)際受載情況過于復(fù)雜，主要包括熱殘余應(yīng)力、彈性錯(cuò)配力、泊松比錯(cuò)配產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力以及外加應(yīng)力，應(yīng)力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)仍表現(xiàn)出較大的挑戰(zhàn)[71]。截止目前，應(yīng)力狀態(tài)的可視化及應(yīng)力集中導(dǎo)致的應(yīng)變局域化主要由中子衍射[72,73]及數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)(DIC)[74,75]得出。此外，原位EBSD和DIC耦合技術(shù)也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于層狀鋁基復(fù)合材料(圖7)[76]、Ni基合金[77]、雙相鋼[78-80]、TiAl合金[81]等材料中，提供了材料在變形過程中取向信息、亞結(jié)構(gòu)、應(yīng)變場(chǎng)的原位觀察及跟蹤，也是下一步研究的重點(diǎn)。

圖5　晶粒尺寸呈層狀分布的NiAl金屬間化合物的反應(yīng)制備過程示意圖：(a) Ni和Al元素箔堆垛，(b) 真空熱壓成形，(c) 反應(yīng)熱處理，(d) Ni-Al相圖[64]Fig.5　Illustration of the fabrication processes of laminated NiAl: (a) stacking commercial elementary Ni and Al sheet, (b) Ni/Al composite after hot pressing in vacuum, (c) the final laminated NiAl by reaction annealing at 1200 ℃, (d) Ni-Al binary phase diagram[64]

圖6　晶粒尺寸呈層狀分布的NiAl金屬間化合物的組織形態(tài)：(a) XRD曲線，(b) 晶粒取向圖，(c) 粗晶層的反極圖，(d) 細(xì)晶層的反極圖，(e) 粗晶層的晶粒尺寸分布，(f) 細(xì)晶層的晶粒尺寸分布[64]Fig.6　Microstructure of the resulting laminated NiAl: (a) XRD pattern, (b) orientation map, inverse pole figures of (c) the coarse-grained layers and (d) the fine-grained layers, frequency of grain size distribution of (e) the coarse-grained layers and (f) fine-grained layers [64]

6　結(jié)　語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的不斷深入，已經(jīng)證實(shí)通過復(fù)合材料組元相的構(gòu)型設(shè)計(jì)是攻克金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度與塑性/韌性倒置問題的有效途徑。從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)復(fù)合材料構(gòu)型設(shè)計(jì)與力學(xué)性能的關(guān)系是我們實(shí)現(xiàn)“炒菜式”材料研究向“材料設(shè)計(jì)”跨越的關(guān)鍵。同步輻射、中子衍射、數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)等先進(jìn)表征技術(shù)的不斷進(jìn)步為我們正確揭示這一關(guān)系提供了有力手段。因此，基于先進(jìn)表征的構(gòu)型化金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)制的分析有望成為金屬基復(fù)合材料研究的重要方向。

圖7　不同拉伸應(yīng)變下層狀鋁基復(fù)合材料應(yīng)變場(chǎng)變化[76]Fig.7　Strain field of layered aluminum matrix composite at different tensile strains[76]

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(編輯吳琛)

Progress on Strengthening and Toughening Mechanism forMetal Matrix Composites by Configuration Design

GENG Lin, FAN Guohua

(School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Configuration design is one of feasible strategies to overcome the trade-off between strength and ductility of metal matrix composites (MMCs). Revealing the effect of configuration design on the mechanical properties is the key to realize the structural controllability of MMCs. The configuration design of MMCs not only changes the microstructures, but also tailors the distribution of local strain (stress) of MMCs under loading. Correspondingly, the change of local strain (stress) distribution will affect the mechanical properties of MMCs. Some advanced characterization technologies including synchrotron radiation X-ray, neutron diffraction, and digital imaging correlation offer strong tools to analyze the local strain (stress), and help us to determine the relationship between local strain distribution, strengthening and toughening mechanism, as well as configuration design, which will improve our ability to tailor the mechanical properties of MMCs. This paper reviews the recent progress on strengthening and toughening MMCs by structural design, and proposes the framework of elucidating the physical mechanisms of strengthening and toughening behavior through in situ strain tracking. The applications of configuration design to MMCs are also reviewed.

metal matrix composite, configuration design, local strain, strengthening and toughening, intermetallics

2016-06-08

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB910604)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51571070,51571071)

耿林，男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師

范國(guó)華，男，1981年生，副教授，博士生導(dǎo)師，

E-mail:ghfan@hit.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.09.06

TB331；TG156

A

1674-3962 (2016)09-0686-08