本期包含金属材料领域论文9篇,涵盖了马氏体、高熵合金、高温合金等,国内科研单位包括上海交通大学等(通讯作者单位)。
Vol. 211 目录
1. Unveiling the mechanism of yttrium-related microstructure inhibiting or promoting high-temperature oxidation based on Ni-Al-Y alloys
Y对Ni-Al-Y合金微观组织和高温氧化性能的影响
2. Atomic scale modeling of the coherent strain field surrounding Ni4Ti3 precipitate and its effects on thermally-induced martensitic transformation in a NiTi alloy
Ni4Ti3析出相共格应变场及其对NiTi合金热诱导马氏体相变影响的原子尺度模拟研究
3. In-situ synchrotron X-ray tomography investigation of damage mechanism of an extruded magnesium alloy in uniaxial low-cycle fatigue with ratchetting
受压镁合金棘轮单轴低周疲劳损伤机理的原位同步X射线断层扫描研究
4. Nitrogen-induced hardening of refractory high entropy alloys containing laminar ordered phases
通过N掺杂形成层片状有序相实现高熔点高熵合金的显著硬化
5. Cross-kinks control screw dislocation strength in equiatomic bcc refractory alloys
等原子比BCC高熔点合金中交叉扭结对螺位错强化作用的影响
6. Temperature-dependent mechanisms of dislocation–twin boundary interactions in Ni-based equiatomic alloys
等原子比Ni基体合金中位错-孪晶界相互作用机制随温度的变化
7. Designing L21-strengthened Al-Cr-Fe-Ni-Ti complex concentrated alloys for high temperature applications
L21相强化的Al-Cr-Fe-Ni-Ti多主元高温合金设计
8. Quantitative prediction of rapid solidification by integrated atomistic and phase-field modeling
通过耦合原子尺度模拟和相场模型实现快速凝过程的定量预测
9. A tale of two phase diagrams: Interplay of ordering and hydrogen uptake in Pd–Au–H
Pd-Au-H体系中有序态和氢相互作用的相图研究
ACTA
Vol. 211,1 Jun. 2021, 116879
1. Unveiling the mechanism of yttrium-related microstructure inhibiting or promoting high-temperature oxidation based on Ni-Al-Y alloys
Y对Ni-Al-Y合金微观组织和高温氧化性能的影响
Yun Wu, Yunting Li, Yuantao Xu, Maodong Kang✉, Jun Wang✉, Baode Sun
M. Kang:kangmd518@sjtu.edu.cn(上海交通大学)
J. Wang:junwang@sjtu.edu.cn(上海交通大学)
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116879
摘要
钇的添加能够提高镍基合金的高温氧化性能。然而,我们目前对于Y氧化行为的理解尚不深入,特别是与其他关键成分(如Al)的相互作用。我们对四种简单Ni-Al-Y 合金在800°/1000°℃空气中的氧化行为进行了研究。通过多尺度表征和热力学计算,我们发现四种合金的氧化层厚度随Y和Al浓度的变化而变化。在三种高Y含量的合金中,Y相关的微观组织对氧化过程具有强烈的驱动作用。初始组织中的Ni5Y化合物具有强烈的二次γ-Ni条带析出倾向,因此有利于形成含有混合氧化物颗粒的内氧化层,而初始组织中的γ-Ni则驱动外层NiO的形成。于粗化的不规则相界相比,密集的层状相界更有利于抑制内层的长大。在1000°C下,得益于晶界(GBs)和内氧化层前端混合氧化物的形成,少量添加Y的镍基合金抗内氧化性能显著提高。我们基于三元相图等温截面,进行了一些热力学计算,用于阐明氧化物的演化过程。通过对比复杂产物的形成情况可知,计算结果与实验结果基本吻合。
ACTA
Vol. 211,1 Jun. 2021, 116883
2. Atomic scale modeling of the coherent strain field surrounding Ni4Ti3 precipitate and its effects on thermally-induced martensitic transformation in a NiTi alloy
Ni4Ti3析出相共格应变场及其对NiTi合金热诱导马氏体相变影响的原子尺度模拟研究
Zhu Li, Fei Xiao✉, Hong Chen, Ruihang Hou, Xiaorong Cai, Xuejun Jin✉
F. Xiao:xfei@sjtu.du.cn
X. Jin:jin@sjtu.edu.cn(上海交通大学)
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116883
摘要
NiTi合金中的Ni4Ti3析出对于材料性能有重要影响,但析出的共格应变场及其对马氏体相变的影响,特别是对B19’变体和形貌的影响,目前尚不清楚。本研究中,我们通过分子动力学模拟,结合Eshelby方法和微弹性相场理论理论,对具有不同长宽比的Ni4Ti3析出所引起的应变场进行了研究。通过方程描述了基体中的最大应变(沿析出的中轴)及其相对位置。并对材料的马氏体形变起始温度Ms和奥氏体相变终止温度Af进行了分析预测。此外,我们还详细地对之前已发表过的三角形和人字形两种B19’自适应结构进行了详细研究。我们首次观察到了三角形和人字形的中间状态,我们把它称为混合自适应态。这种结构十分不稳定,我们对其形成过程进行了分析讨论。综上所述,本研究首次解释了析出相对于不同孪晶B19’形貌的选择作用及其对热诱导马氏体相变的原子尺度影响。
ACTA
Vol. 211,1 Jun. 2021, 116881
3. In-situ synchrotron X-ray tomography investigation of damage mechanism of an extruded magnesium alloy in uniaxial low-cycle fatigue with ratchetting
受压镁合金棘轮单轴低周疲劳损伤机理的原位同步X射线断层扫描研究
Ziyi Wang, Shengchuan Wu, Guozheng Kang✉, Hang Li, Zhengkai Wu, Yanan Fu, Philip J. Withers
G. Kang:guozhengkang@swjtu.edu.cn, guozhengkang@126.com(西南交通大学)
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116881
摘要
我们研究了受压AZ31Mg合金在单轴低周棘轮疲劳下的变形过程与损伤机制。我们采用不同的平均应力和应力振幅分别研究了由孪晶控制 (TDD)、滑移控制(SD)和孪晶、滑移混合控制(TDSD)下的循环变形。通过同步辐射断层扫描和扫描电子显微镜对材料中的损伤进行观测;通过电子背散射衍射和透射电子显微镜对不同载荷条件下的塑性变形机制进行表征。我们在TDD和TDSD样品中观测到大量孪晶,而在TDSD和SD样品中观测到了高密度位错和其他复杂结构。三种样品按照损伤起始位点数量由多到少排列依次为TDSD样品、TDD样品和SD样品。因为TDSD样品中存在大量孪晶引起的穿晶损伤以及<c+a>位错和孪晶共同引起的晶间损伤使;TDD样品中位错密度较低;SD样品不含孪晶。我们仅在TDSD样品中观察到了独立裂纹之间的连接。以上研究为受压镁合金的损伤演化模型提供了丰富的实验证据。
ACTA
Vol. 211,1 Jun. 2021, 116884
4. Nitrogen-induced hardening of refractory high entropy alloys containing laminar ordered phases
通过N掺杂形成层片状有序相实现高熔点高熵合金的显著硬化
Joshua A. Smeltzer, B. Chad Hornbuckle, Anit K. Giri, Kristopher A. Darling, Martin P. Harmer, Helen M. Chan, Christopher J. Marvel✉
C.J. Marvel:cjm312@lehigh.edu
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116884
摘要
调控成分和组织是提高高熵合金(HEAs)性能的主要方法。本研究中,我们发现可以通过非金属元素掺杂形成共格有序析出,大幅提高高熵合金的硬度。我们以液氮为制冷剂,通过低温机械合金化成功制备了N掺杂的MoNbTaW高熵合金。我们在材料中观测到了富N的二次相,因此掺杂是成功的。特别地,我们通过像差校正扫描透射电镜(STEM)发现了一种独特的有序层片相,经鉴定,为四方(Mo、W)(Nb、Ta)N氮化物。此外,我们还发现了另一种复杂的碳氮化物(Nb,Ta)2CN。我们将材料在1200°C下进行了100小时的时效处理以研究陶瓷相的长大。我们利用液Ar作为冷却剂,通过高能球磨方法制备了第二种MoNbTaW合金。对这两种合金组织和性能的比较表明,复杂氮化物的形成使得MoNbTaW的硬度大幅提高,可至3-4GPa。
ACTA
Vol. 211,1 Jun. 2021, 116875
5. Cross-kinks control screw dislocation strength in equiatomic bcc refractory alloys
等原子比BCC高熔点合金中交叉扭结对螺位错强化作用的影响
Xinran Zhou✉, Sicong He, Jaime Marian✉
X. Zhou:Xinranz1216104@g.ucla.edu
J. Marianjmarian@ucla.edu
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116875
摘要
具有BCC结构的高熔点多主元合金(RMEA)由于具有优异的高温应用前景,而在过去十年中受到广泛研究。这些合金大都在高温下表现出极高的强度,无法用基于热激活螺位错运动的BCC塑性标准模型解释。有研究指出,化学能量起伏是影响RMEA强度重要因素,而没有在标准模型中被考虑。本研究中,我们使用蒙特卡洛动力学模型量化了螺位错对等原子比Nb-Ta-V合金强度的贡献。我们发现沿位错线的化学能量波动会在较宽的温度范围内导致较高的平衡扭结含量,这与分子动力学模拟结果一致。其中的部分形成了交叉扭结结构,它们对螺位错运动和材料强度有重要影响。我们的模拟证实了(i)交叉扭结和自钉扎是低温下形成所谓“鸡尾酒”效应的主要原因;(ii)仅螺位错塑性不能有效解释BCC RMEA的高温强度。
ACTA
Vol. 211,1 Jun. 2021, 116886
6. Temperature-dependent mechanisms of dislocation–twin boundary interactions in Ni-based equiatomic alloys
等原子比Ni基体合金中位错-孪晶界相互作用机制随温度的变化
Sho Hayakawa, Haixuan Xu✉
H. Xu:xhx@utk.edu
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116886
摘要
FeNiCoCrMn高熵合金具有优异的强韧性组合,且随温度降低,材料延展性显著增加。这一现象的潜在机制对于理解材料机械性能至关重要。我们通过原子尺度模拟研究了等原子比镍基合金中螺位错与共格孪晶界之间的相互作用。我们发现,这种相互作用的主要机制会随温度而变化,这可能是合金在低温下延展性增强的原因之一。进一步研究表明,与层错能和Shockley分位错间离有关的一个临界参数对这种相互作用随温度的变化有重要影响。以上研究有助于我们深入理解等原子比镍基合金的塑性变形机理,对高强塑性材料设计具有重要意义。
ACTA
Vol. 211,1 Jun. 2021, 116890
7. Designing L21-strengthened Al-Cr-Fe-Ni-Ti complex concentrated alloys for high temperature applications
L21相强化的Al-Cr-Fe-Ni-Ti多主元高温合金设计
Woo Chul Kim, Min Young Na, Heoun Jun Kwon, Young Sang Na, Jong Woo Won, Hye Jung Chang✉, Ka Ram Lim✉
H.J. Chang:almacore@kist.re.kr
K.R. Lim:krlim@kims.re.kr
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116890
摘要
对于具有纳米析出的合金而言,析出与基体之间的共格性对材料的高温机械性能至关重要。在这项工作中,我们对AlxCr13.3Fe71.5-xNi11.2Ti4 (x=8, 10, 12, 14, 16 at%) 多主元合金中BCC基体与L21析出的共格性进行了系统研究,包括析出的结构、晶格错配和由此产生的共格应变演化。当Al含量从8 at%增加到16 at%时,析出的尺寸和晶格错配减小,界面从半共格逐渐变为完全共格,从而使得基体与析出之间的弹性相互作用增加。同时析出的晶体结构从立方变为四方。随着Al含量的增加,由于固溶强化和析出强化的作用,材料室温强度连续增加。析出的强化机制也由Orowan强化变为共格强化。有趣的是,拉伸试验表明700°C下铝增加引起的强化效应进一步增强。更高程度的共格和结构畸变引起了更显著的有效应变转移和析出强化。因此,Al16Cr13.3Fe55.5Ni11.2Ti4具有更加优异的屈服强度(400.8MPa)和抗拉强度(572.9MPa)。这一强度远高于此前报导的纳米析出强化合金,表明这种合金具有优异的高温应用前景。
ACTA
Vol. 211,1 Jun. 2021, 116885
8. Quantitative prediction of rapid solidification by integrated atomistic and phase-field modeling
通过耦合原子尺度模拟和相场模型实现快速凝过程的定量预测
Sepideh Kavousi, Brian R. Novak, Dorel Moldovan, Mohsen Asle Zaeem
M. Asle Zaeem:zaeem@mines.edu✉
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116885
摘要
我们通过耦合原子尺度模拟和相场建模,对增材制造合金凝固过程中的胞结构生长和溶质元素捕获进行了定量预测。我们通过分子动力学模拟代替复杂实验,得到了各向异性晶体-熔体界面的自由能、动力学参数和扩散界面速度,并将其作为相场中的参数。我们在Ti-3.4at.%Ni合金中测试了耦合模型模拟快速凝固的准确性。结果表明,相场模型预测的溶质捕获与凝固界面的连续生长模型结果大体相当。预测得到的一次枝晶臂间距对扩散界面宽度不敏感,因此模型可以使用于更大尺度的体系。二维和三维相场模型模拟得到的浓度分布与配分系数分别与可与Kurz-Fisher模型和连续生长模型结果相当。与其他快速凝固计算模型相比,本模型的优势在于可以完全基于计算进行预测,而不需要进行任何实验拟合。
ACTA
Vol. 211,1 Jun. 2021, 116893
9. A tale of two phase diagrams: Interplay of ordering and hydrogen uptake in Pd–Au–H
Pd-Au-H体系中有序态和氢相互作用的相图研究
J. Magnus Rahm, Joakim Löfgren, Erik Fransson, Paul Erhart✉
P. Erhart:erhart@chalmers.se
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116893
摘要
Pd-Au纳米合金能够无延迟地可逆吸收/释放氢,因此是一种优秀的氢传感材料。对于传感材料而言,吸放氢等温线的可重复性和稳定性十分重要。研究表明,短程和长程化学有序对等温线有一定影响,但相关研究并不深入。本研究中,我们使用合金团簇的膨胀来描述在较宽浓度范围内Pd-Au合金的吸放氢热力学。我们通过调控退火温度和氢分压得到了样品的不同有序状态,并研究了这些不同化学有序态是如何影响合金的吸放氢等温线,进而影响材料性能的。研究表明,当H2分压足够高时,材料中将形成长程有序的L12相。我们绘制了250K到500K的相图,当体系中存在氢气时,体系在完全平衡态下将发生相分离,这与准平衡条件下截然不同。我们研究成功解释了Pd-Au合金吸放氢等温线随时间推移保持稳定的实验现象,并揭示了这一特性失效的可能情况。