金屬所梯度材料的損傷容限研究取得進展

撰稿: 金属研究所 發布時間:2019-11-21

        寻求同时提高工程结构材料多种机械性能的方法是材料科学家长期努力的方向。材料科学家通过从自然材料中获取灵感,制造出与之相似的材料,这就形成了“向自然学习”的概念。自然界中某些生物的独特结构使其具有良好的机械性能,使得它们能够对抗自然界的各种恶劣环境。其中一种结构为梯度结构,自然界中竹子结构便是典型的梯度结构。竹子的维管束结构其密度是从外部向心部逐渐递减,在维持整体强度和刚度的情况下,其心部具有较好的柔韧性。材料科学家已经成功将梯度结构在多种金属材料中进行复制并对其机械性能进行系统研究。相关研究表明梯度结构金属材料能在一定程度上打破材料“强度和塑性”的倒置关系,获得优异的强塑性。

  但是作爲工程結構材料,必須進一步顯示出可接受的斷裂韌性(或抗損傷能力),以避免實際應用中發生災難性的失效。斷裂韌性對大多數材料的安全應用是至關重要的,它通常是強度和塑性的綜合指標。但是一般而言:強度和塑性是由材料的整體變形控制的全局機械響應,而斷裂韌性是裂紋尖端“局部”微觀結構變形的機械響應結果,斷裂韌性裂紋尖端參與的變形區域比拉伸整體變形體積小多個數量級。因此,盡管通過構建梯度結構可以實現材料強度和塑性的優異組合,但是否能保證其斷裂韌性同樣優越,仍是一個亟待解決的關鍵科學問題。同時,梯度結構材料中微觀結構的局部變化可能導致裂紋擴展過程中的裂紋擴展阻力發生變化。因此,揭示梯度結構中微觀結構的不均勻性對裂紋的啓裂和擴展阻力的影響具有非常重要的意義。

  在成功制备块体梯度材料的基础之上,中國科學院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料动力学研究部构筑材料组李毅研究员和潘杰副研究员与美国加州大学伯克利分校的Robert O. Ritchie教授展开合作,评估晶粒尺寸跨度从~30 nm到~4 μm的梯度结构(GS)Ni的变形和断裂行为。我们研究发现,1、与脆性的纯纳米晶和韧性的粗晶Ni相比,梯度结构Ni具有高断裂韧性,显示出强度和韧性的最佳组合。梯度材料在拉伸至断裂的过程中消耗的塑性功明显高于纯粗晶和纯纳米晶材料,其来源于在裂纹传播过程中内部渐变的微观结构之间的相互作用。2、梯度材料的断裂韧性和变形行为与梯度方向有关。粗晶到纳米晶梯度方向上的起始断裂韧性(KJIc)比纳米晶到粗晶梯度方向的起始断裂韧性要高。当裂纹沿粗晶向纳米晶梯度方向扩展时,其R曲线(抗裂纹扩展阻力曲线)与纯粗晶Ni类似,显示出强度和韧性的最佳组合。裂纹扩展初期在粗晶区域会发生钝化,表现为韧性断裂。然而,在裂纹扩展后期,在纳米晶区域诱发脆性裂纹,并迅速扩展失效,发生不稳定的脆性断裂。由于裂纹扩展过程是韧性断裂向脆性断裂的转变过程,因此在安全应用上需要慎重考量。另一方面,当裂纹沿纳米晶到粗晶梯度方向扩展时,其也表现出优于纯纳米晶Ni的起始断裂韧性(KJIc)和R曲线,并且裂纹尖端的韧性是不断增加。此外,当裂纹的扩展到达粗晶区域时,裂纹尖端发生钝化。这种裂纹尖端韧性不断增加而发生钝化的过程表明,纳米晶到粗晶的梯度方向,是脆性断裂向韧性断裂的转变过程,具有优异安全应用前景。我们的研究成果为梯度材料的实际应用提供理论基础。

  上述研究成果于近期发表在Materials Today (10.101/j.mattod.2019.09.023),文章第一作者为中國科學院金属研究所的博士研究生曹汝情。共同第一作者为美国劳伦斯伯克利国家实验室的于秦博士。相关工作得到了国家重点研发计划(资助号2017YFB0702003)和国家自然科学基金项目(资助号:51471165)的资助。

图1:粗晶,纳米晶,粗晶→纳米晶梯度结构,以及纳米晶→粗晶梯度结构金属Ni的力学性能。(a)拉伸应力-应变曲线;(b)断裂韧性J值和裂纹扩展长度a的关系图;(c)拉伸时抗拉强度 vs. 塑性应变能;(d) 抗拉强度 vs. 断裂韧性值;(e) 抗拉强度 vs. a=~ 1 mm时的断裂韧性。

圖2:粗晶(CG),納米晶(NG),粗晶→納米晶梯度結構(CG→NG),以及納米晶→粗晶梯度結構(NG→CG)金屬Ni的裂紋擴展行爲