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《打造同时具备超优强度和塑性合金新方法 》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2020-11-06

  • 对于金属材料而言，将晶粒细化到超细晶/纳米晶可使材料强度提高数倍，但同时也造成了材料应变硬化能力的衰减甚至是丧失，难以避免地出现低塑性。本文发现了一种顺序激活的多级应变硬化(SMSH)行为，它能够使得高强度的超细晶共晶高熵合金(EHEA)保持有效的应变硬化能力。依靠结构异质、晶粒尺寸控制、晶内成分精调的三级设计思路，突破了共晶高熵合金的中高堆垛层错能及超细晶尺度伴随的低孪生倾向，成功引入了顺序激活的多类型形变纳米孪晶，同时复合两级尺度的异质变形硬化效应，创新性地开发出一种顺序激活的多阶段应变硬化机制，往高强度的超细晶共晶高熵合金中注入了持续且有效的应变硬化能力，实现了共晶高熵合金的超优强塑性结合。 在科学研究、关键应用及节能减排等方面，设计制备兼具高强度和高延展性的材料一直是各国研究者持续关注的焦点。通常，将金属材料的晶粒细化到超细晶/纳米晶后，能够获得数倍于粗晶材料的强度，但由于超细的晶粒内无法有效储存位错，这将造成应变硬化能力的严重损失，合金表现出极低的拉伸塑性。迄今为止，人们一直在努力探索各种改善细晶材料应变硬化的机制，如形变纳米孪晶，以此尝试提高超细晶材料的拉伸塑性。但形变孪晶的产生首先要求材料具有较低的堆垛层错能（SFE），此外，在超细晶材料中，形变孪晶所需要的高激活应力会极大地削弱这种应变硬化机制。即使是某些低SFE的金属材料，当晶粒尺寸<500nm，虽然获得了1GPa以上的高屈服强度，但仍无法阻止塑性的严重牺牲。 共晶高熵合金是一种广受关注的新型合金体系，具有良好的铸造流动性，凝固组织呈现出特有的规则排列的双相层状结构。已有的研究结果证明，共晶高熵合金特有的双相层状结构能够触发显著的异质变形诱导的强硬化去改善力学性能（《Nature Communications》https://doi.org/10.1038/s41467-019-08460-2）。近日，上海大学材料学院钟云波团队，创新性地将多类型形变纳米孪晶与多尺度异质变形硬化效应多重耦合，开发出一种顺序激活的多阶段应变硬化机制，相关研究结果以题为“Multistage work hardening assisted by multi-type twinning in ultrafine-grained heterostructural eutectic high-entropy alloys”为题，发表在国际顶尖杂志《Materials Today》(IF=26.416)上。

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  • 《实现热塑性复合材料回收的创新方法》
    • 来源专题：工业强基
    • 编译者：张欣
    • 发布时间：2024-07-05
    • 如今，最大限度地减少对环境的影响是复合材料行业面临的一个非常重要的挑战。复合废物的最大问题之一与所涉及材料的复杂性和不断增加的废物数量有关。在复合材料行业寻求更可持续的解决方案之际，Somocap和Compositadour正在接近终点线。他们正在开发解决方案，重新利用来自航空等行业的热塑性复合材料废料，生产出能充分利用长纤维的技术部件。 随着工业的发展和许多产品的报废，生产废物也在增加。这就是为什么复合废物的可持续解决方案是向绿色转型过程中需要解决的关键问题。在这种情况下，越来越多地使用的热塑性基体复合材料具有能够多次加工的独特优势，而热固性基体复合材料则没有。在此框架内，从事橡胶、塑料和复合材料成型的公司Somocap，与从事复合材料工艺的技术平台Compositadour联合起来迎接挑战。 不同类型的废物 在法国西南部，这两家公司发现了大量的热塑性复合材料垃圾。由于没有回收或再利用这些废物的解决方案，它最终被填埋了。这种热塑性复合材料废物可分为两类。它可以是来自批量生产的新材料废料，例如自动切割或悬垂，也可以是来自已经转换的材料，如测试零件、不符合规范的零件和已经报废的零件。 通过研发，Somocap和Compositadour致力于从这些不同的物流中回收复合废物，并将其用于制造由短纤维制成的技术部件。 该方法包括在将这些废料整合到创新的再利用过程中之前对其进行修复。重新处理是必要的，因为生产中识别出的废物由于其形式（大小和形状）而无法像通常的过程中那样重复使用。这一步骤去除了废物，随后产生了新的原材料。无论回收何种类型的废物，其目标都是对经过修复的材料进行再加工，同时保留其特殊机械性能的优势。从本质上讲，所识别的材料类型在厚度、刚度、坚固性、形状等方面非常不同。因此，必须使用不同的方法来修复它们。 废物再处理 其中一种主要方法是将已经固结的复合废物和废弃的成品分解成各种形状和体积。通过这种方法可以生产出相对均匀的“碎片”形式的原材料。由于纤维叠层赋予零件很大的强度，因此需要付出很大的努力才能断裂。因此，这些层必须分层，以便于加工。Somocap、Compositadour和他们的合作伙伴进行的研究已经开发出一种可以处理这种废物的研磨机。它生产了一种新的短纤维材料（>15毫米）。另一方面，对于由一层非常精细、相当柔软的单向纤维制成的新材料废料，相同的研磨溶液会损坏纤维并影响性能。因此，回收这些废料需要切割（而不是研磨），目的是产生校准长度的相同碎片，通常称为“芯片”。测试了各种切割方法：激光、旋转刀片、模具、超声波等。这里的困难在于用单一的切割溶液处理每种类型的废料形状的能力。选定的技术仍在优化中，将使校准复合材料“芯片”成为可能。 实施过程 在工业规模上，已经开发了两种回收工艺来实现每种新的原材料（磨碎的短纤维碎片和薄复合材料芯片）。第一个过程是热压或热成型。它涉及一个压力机，广泛应用于所有材料的成型行业。它具有明显的优点，即成本低廉且易于实现。根据使用的纤维类型，热成型非常适合控制新材料并获得预期的必要性能。这一领域的发展已经产生了可回收的复合材料零件。 已经部署的第二个进程是创新的。它的开发目的是创造非常复杂的形状，并可以产生非常详细的几何形状，这是典型的热成型工艺无法实现的。此外，它几乎不需要像轮廓切割或修剪这样的精加工操作。由于可行性已被证明，开发人员正在继续使该工艺工业化，并使其适合批量生产。 创新可持续发展有助于未来 目前，高达99%的复合废物未被回收。Somocap和Compositadour开发的解决方案将有可能从迄今为止尚未回收的废物中生产出形状简单和复杂的技术产品。基于Somocap的成型专业知识，一种更复杂的工艺可以从长短纤维中生产出复杂的形状。所开发的工艺的优点在于易于实施，并将原始纤维保存为长纤维。 开发简单和复杂形状的目标是脱碳路线图的一部分，而脱碳现在在所有行业都是必不可少的。该团队已经获得了生态创新奖，现在正在寻找合作伙伴启动示范阶段，最终将实现大规模生产。设想的第一批应用是飞机、无人机和国防设备各种技术部件的中小型生产。
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  • 《吕坚院士团队《Adv Sci》新型纳米结构，同时提升镁合金强度塑性！》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-08-20
    • 镁合金由于高强度低密度的特点，在航空航天，汽车自动化，生物医用合金等领域具有广泛应用前景。吕坚院士团队在先前工作中发现非晶包裹纳米晶的超纳双相镁合金可实现近理论强度（Nature 545, 80-83 (2017)）。 基于此，研究人员设计出全新多级结构镁合金：首先使用表面机械研磨处理（SMAT）镁合金表面得到梯度纳米晶，再通过磁控溅射在合金表面沉积Mg基双相金属玻璃薄膜。这一设计理念结合双相金属玻璃与梯度纳米结构的优势，成功在合金强度提升31%的基础上维持良好的拉伸塑性（20%）。合金的优异塑性变形能力由双相金属玻璃的多重剪切带变形及纳米晶化，双相金属玻璃阻挡SMAT纳米晶层裂纹延伸，以及SMAT纳米晶层在变形时晶粒长大协同提供。 相关成果以“Nano-dual-phasemetallic glass film enhances strength and ductility of a gradient nanograinedMagnesium alloy”为题发表在《AdvancedScience》（IF=15.84）。论文第一作者为刘畅博士（现德国马普钢铁研究所博士后）。通讯作者为吴戈博士（现德国马普钢铁研究所博士后）和吕坚教授。其他作者还包括刘勇教授，王庆研究员，刘晓伟副研究员和鲍岩博士生。 表面机械研磨处理（SMAT）通过在合金中引入梯度纳米结构可以有效提升合金强度。然而，之前研究表明SMAT镁合金表面的纳米晶层在塑性变形时发生脆性断裂，严重降低合金变形能力。本研究通过磁控溅射沉积13 µm 厚Mg-Zn-Ca双相金属玻璃（NDP-MG）在SMAT Mg合金表面，阻挡纳米晶层裂纹延伸，启动纳米晶层晶粒长大机制，同时实现高强度与高延伸率。 图1. Mg-Zn-Ca双相金属玻璃（NDP-MG）的结构与成分。a) 原子探针层析技术（APT）三维重构图，显示螺旋柱状结构，其中Ca在界面处富集（由7at.%的Ca等浓度面显示）。b) 从图（a）中截取的5-nm厚俯视薄片图，展示富Ca区形貌。c) 与图（b）对应2D Ca浓度分布图。d) 俯视TEM界面图，展示~5-nm 厚的富Ca区（亮区）位于贫Ca区（暗区）界面处。e) 使用7at.% Ca 等浓度面计算出的1D成分图，定量的展示了富Ca非晶相与贫Ca非晶相的成分 图2.纳米梯度SMAT镁合金的结构与机械性能。a) 典型明场透射电镜（TEM）照片展示纳米晶层结构。取样位置：距离SMAT表面20 μm。插图为TEM样品的选区电子衍射（SAED）花样。SAED花样上的圆环特征显示纳米晶具有较弱的晶体织构。b) 高分辨透射电镜（HRTEM）图片显示纳米晶的晶格结构，带轴：[2 -1 -1 0]。插图是图（b）对应的快速傅里叶变换（FFT）图。c) 图3.双相金属玻璃+SMAT（NDP-MG coated SMAT-H′）镁合金室温力学性能。真实应力-应变曲线：黑色，未处理（base）镁合金；深黄色，SMAT-L镁合金；蓝色，SMAT-H镁合金；红色， NDP-MG coated SMAT-H′镁合金。插图分别为SMAT-H以及NDP-MG coated SMAT-H′镁合金在6%真实应变下的横截面SEM图，展示NDP-MG成功阻挡裂纹延伸。 图4. NDP-MG变形前（a）与拉伸6%形变后（b）SEM形貌，显示NDP-MG界面处产生多剪切带。（c）TEM横截面观察NDP-MG depositedSMAT-H’合金在20%真实应变后结构演变。可以看到纳米晶层出现晶粒长大并可以观察到位错，双相金属玻璃NDP-MG出现初生剪切带。（d）HRTEM观察到NDP-MG在变形过程中发生纳米晶化，插图为相应的SAED图。
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