一种具有超塑性的新型钛基纳米复合材料

1. 导读

纳米结构材料具有独特的物理、化学和机械性能，具有广泛的应用潜力。随着先进制造技术和新型多组分合金的发展，合成足够大、足够致密的纳米结构材料已成为可能。然而，这些材料通常硬和脆，当晶粒尺寸小于25 nm²时，拉伸几乎没有延展性。这可能是由于缺乏加工硬化引起的机械失稳。这种没有加工硬化的变形行为类似于大块金属玻璃（BMGs:bulk metallic glasses）。因为BMGs在室温下会发生非均匀的塑性变形，此过程中，塑性流动受到限制，剪切带形成导致材料在不显著的情况下产生破坏。科研者在这些方面展开了很多研究，比如，将结晶相引入玻璃基体中，产生一些多相纳米级微结构，在这种BMGs合金中，该材料不仅具有很强的强度，而且具有良好的延展性。此外，微米大小的延展性结晶相也可以提高BMGs的延展性。

鉴于此，德国固体材料研究所He Guo等人在BMGs的研究中，尝试通过引入微米大小的高塑性相来增强纳米结构材料的延展性。通过将纳米结构的高强度与延性相的高塑性相结合，开发出延性相/纳米结构基复合材料。结果显示，复合材料的高强度是源于纳米结构基体，而枝晶微结构的形成限制了局部剪切带的过度变形，并通过位错促进了复合材料的塑性。相关成果以题为“Novel Ti-base nanostructure–dendrite composite with enhanced plasticity”发表在高水平期刊Science Materials 上。

2. 图文速递

2.1 铸态合金的显微组织

图1. 铸态直径为3mm的合金棒材的显微组织

▲1-图解：铸态直径为3mm的合金棒材的显微组织。a-c: Ti₆₀ Cu₁₄ Ni₁₂Sn₄ Ta₁₀。a：原位形成的β-Ti（Ta，Sn）枝晶/纳米结构基体复合组织的SEM背散射电子图像。图中为同一样品的XRD谱图，β-Ti（Ta，Sn）有三个主峰。非指标性峰来自纳米结构。b，亮场TEM图像显示β-Ti（Ta，Sn）枝晶（深色）和基体（浅色）。图中是沿着其中一个枝晶[111]区域轴的选区衍射图，证实了枝晶相为BCC 的β-Ti（Ta，Sn）；c，基体的亮场TEM图像显示了详细的复杂组织。这些莫尔条纹如图中的箭头所示，其间距约为10~50 nm，这间接表明了晶粒的大小。插图显示了从基体中获取选定区域的衍射图样，表明了结构的纳米结构。d，Ti₅₀Cu₂₃Ni₂₀Sn₇基体显微结构的亮场TEM图像。图中显示了从基体获得的选定区域衍射图案，证实了纳米结构相的形成.

结果表明，从基体中提取的选定区域衍射图（如图1c所示）证实了纳米结构。该合金的晶粒尺寸估计小于10 nm。

2.2 复合材料的应力应变曲线

图2. 3mm直径铸态棒材室温压缩应力应变曲线。

▲2-图解： 3mm直径铸态棒材室温压缩应力应变曲线。A：Ti₆₀ Cu₁₄ Ni₁₂Sn₄ Nb₁₀合金展示了14.5%的塑性应变和2.4 GPa的极限应力。B：Ti₆₀ Cu₁₄ Ni₁₂Sn₄ Ta₁₀塑性应变为6%，极限应力为2.3 GPa。C：Ti₅₀ Cu₂₃ Ni₂₀Sn₇塑性应变为合金呈现了相似的杨氏模量。

结果表明，三种合金均有明显的屈服和加工硬化现象。随着应力的增加，弹性应变呈线性增加。当应力达到屈服应力时，塑性应变开始，并呈非线性增加。因此，曲线中出现了一个与屈服应力相对应的转折点。在塑性应变过程中，应力随应变的增加而增加是由于材料的加工硬化。

2.3  复合材料中的剪切带和枝晶的相互作用

图3. 棒材的断口形貌。

▲3-图解：棒材的断口形貌。A，Ti₆₀ Cu₁₄ Ni₁₂Sn₄ Nb₁₀铸态3mm直径棒材断裂试样表面的背散射电子图像。插图显示试样表面裂纹扩展的细节。小的白色箭头表示大塑性变形后向水平方向转变的枝晶（白色）。右边a，b，c为A图中a，b，c裂纹的放大图：a显示剪切带绕过树枝晶；b显示裂纹扩展，绕过树枝晶，并被树枝晶阻止；c表明剪切带穿过枝晶，表明枝晶中发生了位错变形。B为铸态3mm直径Ti₆₀ Cu₁₄ Ni₁₂Sn₄ Ta₁₀圆柱体断口处的枝晶和基体。小箭头表示树突的撕裂。大箭头表示剪切带在被树枝晶隔离的小枝晶间区域的剪切。插图：显示典型脉型的枝晶间区域的放大图，表明小的枝晶间区域经历了热软化和大变形。C是在断裂期间经历重熔的断口区域。小箭头表示树突的分支。大箭头表示剪切带被树突阻碍。。

结果表明，剪切带是纳米结构基体的主要变形模式。高度局域剪切带局限于发育良好的枝晶间区域。变形是通过基体中的剪切带和枝晶中的位错发生的。复合材料的高强度是由于纳米结构基体，而枝晶作为限制局部剪切带过度变形的障碍，并通过位错促进塑性。断口枝晶间的典型脉型明显表明剪切带在断裂前经历了较大的变形。在变形和断裂过程中，纳米结构基体发生了软化和重熔。

3. 小结

纳米结构基体在变形和断裂过程中的典型剪切带、热软化和局部重熔特性是纳米结构材料物理和力学研究的热点。这些合金具有良好的延展性、高强度和高弹性应变极限，具有很好的应用前景。本工作成功地合成了这种新型复合材料的纳米微结构，此种微结构提供了通过调控其微观结构来开发先进的复合材料的思路。在本文中，我们提出了一类新的合金，树枝状相分散在纳米晶基体中，具有大的压缩塑性应变，高强度和高弹性应变能。通过合适的组分选择，并采用控制良好的凝固条件，本工作合成了新的复合纳米微结构。这种具有微尺度延性析出相的纳米结构基体可以广泛地用于各种纳米结构材料的增韧。