东北大学发表顶刊综述IF=31.56：超细晶金属基纳米复合材料的粉末冶金制备！

2021-03-23 10:31:28 作者：本网整理来源：材料学网微信公众号分享至：

近日，国际材料领域顶级综述期刊《Progress in Materials Science》在线发表了东北大学材料学院的长篇综述论文“Ultrafine Grained Metals and Metal Matrix Nanocomposites Fabricated by Powder Processing and Thermomechanical Powder Consolidation”。论文影响因子IF=31.56！论文第一作者和通讯作者为张德良教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100796

近30年来，粉末加工和粉末固结已被广泛应用于制造先进金属和金属基复合材料。本文主要的研究工作提供了一个概述作者的团体在新西兰怀卡托大学，中国上海交通大学和东北大学，作为示例来展示这个加工路线制造UFG金属和金属基纳米复合材料具有高强度和良好的拉伸延性的能力。这篇文章撰写本文并提交发表，以庆祝Brian Cantor教授在加工和开发先进金属材料方面的卓越和开创性的研究成就，这些成就突出了金属，非晶态和其他亚稳态材料以及包括高分子量合金在内的多组分高熵合金（HEA）凝固的异质成核，这是由Cantor教授和他的同事首先发现的。

本文概述了作者的研究小组发表的大量研究工作。所制备样品的微观结构和拉伸性能以及它们之间的相关性强烈表明，为了显著提高拉伸屈服强度并保持总体良好的拉伸延展性，非常需要晶界强化和颗粒内陶瓷（和其他硬质）纳米颗粒的协同作用。由异质微观结构引入的硬区域和软区域之间的额外边界可以通过在软区域中引起反应力来进一步增强材料的强度，而不会牺牲拉伸延展性。但是，这些边界也会在硬区域中引起正向应力，从而对它们产生减弱作用，因此需要通过将纳米颗粒分散在硬区域中或通过其他方式进行处理。

在研究和开发用于结构应用的金属和金属基复合材料中，人们不断追求更高的强度、良好的延展性、良好的断裂韧性和良好的疲劳强度。开发高强度结构材料的重要性是十分明显的。

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图1 （a）各种微观结构特征对金属材料强度的贡献和（b）影响金属材料拉伸延性的因素示意图

图2:由R1-Cu和R2-Cu粉在700℃粉末挤压制备的R1-PCE700和R2-PCE7d的拉伸工程应力-应变曲线

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图3:（a） HE、（b） HE- 400ht和（c） HE- 700ht样品及（d）其对应色标的电子背散射衍射（EBSD）反极图（IPF）对比图。

图4 纳米晶Cu-5vol%Al203纳米复合粉末热挤压的SPS制备的（a） SPSO、（b） SPS10和（c） SPS20样品的EBSD IPF图。保温时间分别为0、10和20分钟。

图5 Cu5Nb700800和Cu5Nb900800样品的NbC衍射斑所产生的透射电镜（TEM）亮场图像（a）和（c）以及相应的暗场图像（b）和（d）。（b）和（d）中的插入物显示了相应的选定区域的电子衍射图形。

图6 （a）挤压态的UFG Cu-NbC纳米复合材料棒和（b）和（c）分别在800℃和1000℃轧制的UFG Cu-NbC纳米复合材料样品的透射衍射（TKD） IPF显微结构对比图

图7 （a）和（b）扫描电镜背散射电子图像，（c）和（d） TEM亮视场图像（e）和（f） SAED模式（一），

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图8 （a）和（b） TEM亮场（BF）和暗场（DF）图像（插图为SAED模式），

（c）机械研磨CoCrFeNiMn HEA粉，热挤压后，SPS法制备SPS + HE CoCrFeNiMn HEA样品的XRD谱图和（d） BESD逆极图（IPF）图像

图9 （a）从Frank-Read位错源产生的GND堆积图，在软区产生背应力，反过来又在硬区产生前向应力。（b） GND在界面（区域边界）附近堆积引起的GND密度梯度。（c）接触面（区域边界）附近GND堆积引起的应变和正应变梯度。

图10 （a）加工硬化速率与真应变的典型曲线，（b）阐明提高加工硬化能力的三种机制的示意图，（c） TEM亮场图像显示由纳米粒子固定的位错，（d） TEM亮场图像显示位错和（e）和（f）高分辨率TEM （HRTEM）和相应的快速傅里叶反变换（FFT）图像显示了在孪晶界附近明显的局部位错和堆垛层错，和（g） TEM亮视场图像显示的线程混乱固定纳米颗粒

作者在此基础上，提出了今后的研究方向。

（i）开发数学或数值模型，考虑位错与第二相纳米粒子或析出相与晶界之间的相互作用，以预测UFG金属和金属基纳米复合材料的屈服强度和流动应力。

（ii）研究这类材料的断裂过程，揭示不同微观结构特征处和裂纹尖端前方的微孔是如何成核的

（iii）建立颗粒间键合强度与加工条件的相关性以及颗粒间键合强度对力学行为的影响。（iv）利用机器学习方法分析粉末加工和热机械粉末固结制备的UFG金属及金属基纳米复合材料的大量力学性能和相应的微观结构特征数据，阐明在保证高屈服强度和流动强度的同时，抑制微孔的形核和聚结，延缓断裂关键的微观结构因素。

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