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導讀:近日,印度理工學院Chandra Sekhar Tiwary教授團隊在國際材料領域著名期刊Progress in Materials Science上發表了題為“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展進行了回顧和展望,重點介紹了三元及高階多組分合金共晶凝固過程中出現的復雜組織。綜述了近年來高熵合金的研究進展,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性能。強調了超細共晶和多尺度長度、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用的高強度結構材料出現的巨大潛力。

共晶合金為發展高強度結構材料提供了新的機遇。二元合金共晶反應過程中組織演變的初步研究導致了重要工程材料得到了廣泛的應用。然而,其他共晶合金固有的脆性阻礙了進一步的研究。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下復雜組織的演化 ,包括快速凝固技術和激光輔助加工,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構的出現,深刻地影響了共晶組織合金的發展。長度尺度的減小增強了共晶合金的強度。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。

本文從結構應用的角度簡要地總結關于共晶合金的現有資料。接著討論了當前的趨勢和前景,根據適合于在三個特定溫度域應用的系統對它們進行了分類。其中低溫領域以鋁合金為代表,中溫領域以鈦和銅合金為代表,高溫領域以鎳基高溫合金和其他類似合金為代表。

圖1:(a)不同材料的強度與最高使用溫度的Ashby圖。(b)不同結構材料及其共晶材料的強度與最高使用溫度的關系。(c)不同強化機制在室溫和高溫下的強度變化示意圖。共晶合金的典型拉伸應力/應變曲線:(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]的鋸齒形應力/應變曲線。

圖2 由不同形貌的共晶片組成的復雜共晶合金的電蝕SEM顯微圖。

圖3 (a)不同片層間距下能量密度與百分比應變的關系。插圖:在拉伸和壓縮試驗中,不同片層間距的工程應力與百分比應變的實驗圖。(b)分子動力學(MD)快照模擬了I和3%應變時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。(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,即棒和板。(d)鑄態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,發現其中心為棒狀共晶菌落,邊界處為片狀共晶。(b)顯示共晶二元形態的示意圖。(c)屈服強度與溫度的關系

圖6 (a)各種開發的Al基合金屈服強度與延性曲線。(b)二元和三元Al基共晶的屈服強度與共晶間距圖。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Ni-Ni,Si共晶復合材料20.0 mm/h的橫向光學顯微圖 (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-尼斯爾 [14,201].

綜上所述,復合共晶為開發一類新型超高強度材料提供了契機。然而,實現這一潛力仍面臨重大挑戰。通過增材制造、合金化和擴散控制來設計短長度尺度的微結構是解決這一挑戰的一些可能方法。在較高操作溫度下的長期穩定性和環境兼容性仍然是一個重要的問題。任何具有不同長度、尺度和成分的復雜微觀結構。有關粗化和蠕變行為的研究工作較少,今后還需進一步開展。許多超高強度共晶材料的延性有限。有效地使用這些材料需要設計理念上的轉變。因此,長度尺度控制的復雜多模共晶材料作為一種新型的未來高強度材料需要引起人們的高度重視。

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