導(dǎo)讀:近日,印度理工學(xué)院Chandra Sekhar Tiwary教授團(tuán)隊(duì)在國際材料領(lǐng)域著名期刊Progress in Materials Science上發(fā)表了題為“Five decades of research on the development of eutectic as engineering materials”的頂刊綜述,IF=31.56。該論文對共晶合金的發(fā)展進(jìn)行了回顧和展望,重點(diǎn)介紹了三元及高階多組分合金共晶凝固過程中出現(xiàn)的復(fù)雜組織。綜述了近年來高熵合金的研究進(jìn)展,以鋁、鈦、鎳、金屬間化合物等共晶合金為例,主要研究了共晶合金的顯微組織和力學(xué)性能。強(qiáng)調(diào)了超細(xì)共晶和多尺度長度、尺度和形貌變化的可能性。它突出了未來這些合金作為工程應(yīng)用的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)的巨大潛力。
共晶合金為發(fā)展高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料提供了新的機(jī)遇。二元合金共晶反應(yīng)過程中組織演變的初步研究導(dǎo)致了重要工程材料得到了廣泛的應(yīng)用。然而,其他共晶合金固有的脆性阻礙了進(jìn)一步的研究。近年來,人們對三元及高階共晶合金的研究揭示了在新型凝固技術(shù)下復(fù)雜組織的演化 ,包括快速凝固技術(shù)和激光輔助加工,可以控制這些組織的長度尺度到納米級。納米共晶和不同長度尺度的多模結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),深刻地影響了共晶組織合金的發(fā)展。長度尺度的減小增強(qiáng)了共晶合金的強(qiáng)度。多模塊組織(包括共生的初級相)和長度尺度的耦合并引入局部剪切帶,提高塑性和斷裂韌性。
本文從結(jié)構(gòu)應(yīng)用的角度簡要地總結(jié)關(guān)于共晶合金的現(xiàn)有資料。接著討論了當(dāng)前的趨勢和前景,根據(jù)適合于在三個特定溫度域應(yīng)用的系統(tǒng)對它們進(jìn)行了分類。其中低溫領(lǐng)域以鋁合金為代表,中溫領(lǐng)域以鈦和銅合金為代表,高溫領(lǐng)域以鎳基高溫合金和其他類似合金為代表。
圖1:(a)不同材料的強(qiáng)度與最高使用溫度的Ashby圖。(b)不同結(jié)構(gòu)材料及其共晶材料的強(qiáng)度與最高使用溫度的關(guān)系。(c)不同強(qiáng)化機(jī)制在室溫和高溫下的強(qiáng)度變化示意圖。共晶合金的典型拉伸應(yīng)力/應(yīng)變曲線:(1)韌性基體-脆性纖維或韌性基體-脆性片層,(2)韌性基體-韌性纖維,(3)韌性基體-韌性纖維。(5)單晶鋅鋁共晶合金[1]的鋸齒形應(yīng)力/應(yīng)變曲線。
圖2 由不同形貌的共晶片組成的復(fù)雜共晶合金的電蝕SEM顯微圖。
圖3 (a)不同片層間距下能量密度與百分比應(yīng)變的關(guān)系。插圖:在拉伸和壓縮試驗(yàn)中,不同片層間距的工程應(yīng)力與百分比應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)圖。(b)分子動力學(xué)(MD)快照模擬了I和3%應(yīng)變時3個層板間距(6、20和150 nm)
圖4 (a)吸力鑄造Al-4Ni-0.6Cr合金的背散射SEM圖像,顯示了從中心到集落邊界共晶空間增加的雙重形態(tài)。(b)和(c)使用TLD(通過透鏡)探測器的掃描電鏡圖像闡明了在共晶菌落和菌落邊界 中存在的雙形態(tài),即棒和板。(d)鑄態(tài)Al- 2ni - 2cr合金背散射電鏡顯微圖
圖5 背散射電鏡觀察Al-3.1Ni-0.1Fe合金,發(fā)現(xiàn)其中心為棒狀共晶菌落,邊界處為片狀共晶。(b)顯示共晶二元形態(tài)的示意圖。(c)屈服強(qiáng)度與溫度的關(guān)系
圖6 (a)各種開發(fā)的Al基合金屈服強(qiáng)度與延性曲線。(b)二元和三元Al基共晶的屈服強(qiáng)度與共晶間距圖。開放符號表示桿間距,而封閉符號表示片層間距。
圖7 (a) Ni-32.5 at.% Sn凝固組織在49 K 。(b)在3.3 x 10-4 cm/sec (x235倍率)下冷凍的共晶Ni-C試樣的縱向拋光截面 。(c)定向凝固N(yùn)i-Ni,Si共晶復(fù)合材料20.0 mm/h的橫向光學(xué)顯微圖 (d)管徑為300 um時Ni-Mo合金的微觀組織 。(e)和(f)分別在R=1.45 cm/h和R=1 cm/h時的橫斷面Ni-W組織 。
圖8 (a) x = 0.5時NiAl-28Cr-6Mo-xTa共晶合金的SEM顯微圖
。(b) NiAl基體和富cr金屬相之間界面位錯(標(biāo)記為'ID')的TEM顯微圖。
圖9 (a) Ni-Al-Zr三元體系的液相線投影。(b) Ni3Al-NisZr, (c)和(d) Ni,Al-NiZrz和NiAl-NijZrz共晶。(e)和(f) 3D圖像,尼薩爾-尼斯?fàn)?[14,201].
綜上所述,復(fù)合共晶為開發(fā)一類新型超高強(qiáng)度材料提供了契機(jī)。然而,實(shí)現(xiàn)這一潛力仍面臨重大挑戰(zhàn)。通過增材制造、合金化和擴(kuò)散控制來設(shè)計短長度尺度的微結(jié)構(gòu)是解決這一挑戰(zhàn)的一些可能方法。在較高操作溫度下的長期穩(wěn)定性和環(huán)境兼容性仍然是一個重要的問題。任何具有不同長度、尺度和成分的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)。有關(guān)粗化和蠕變行為的研究工作較少,今后還需進(jìn)一步開展。許多超高強(qiáng)度共晶材料的延性有限。有效地使用這些材料需要設(shè)計理念上的轉(zhuǎn)變。因此,長度尺度控制的復(fù)雜多模共晶材料作為一種新型的未來高強(qiáng)度材料需要引起人們的高度重視。
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