本期包含金属材料领域论文12篇,涵盖了高温合金、纳米晶、高熵合金等,国内科研单位包括上海交通大学、北京科技大学等(通讯作者单位)。
Vol. 212 目录
1. Intermittent nucleation and periodic growth of grains under thermo-solutal convection during directional solidification of Al-Cu alloy
Al-Cu合金定向凝固过程中对流条件下晶粒的间歇性形核和周期性长大
2. Kinetics of cyclically-induced mechanical twinning in γ-TiAl unveiled by a combination of acoustic emission, neutron diffraction and electron microscopy
γ-TiAl中循环应变诱导孪晶动力学的声射、中子衍射和电子显微研究
3. Measuring simulated hydrogen diffusion in symmetric tilt nickel grain boundaries and examining the relevance of the Borisov relationship for individual boundary diffusion
镍对称倾侧晶界中的氢模拟扩散及其与Borisov模型的联系
4. Mechanisms of Ti3Al precipitation in hcp α-Ti
密排六方α-Ti中的Ti3Al析出机理
5. Microstructure evolution under [110] creep in Ni-base superalloys
镍基高温合金[110]蠕变过程中的组织演变
6. Modeling solid solution strengthening in high entropy alloys using machine learning
高熵合金固溶强化的机器学习研究
7. Precipitation in reactor pressure vessel steels under ion and neutron irradiation: On the role of segregated network dislocations
离子和中子辐照条件下反应堆压力容器钢铁材料中析出、偏聚和位错网状的演化及相互作用
8. Revealing Nanoscale deformation mechanisms caused by shear-based material removal on individual grains of a Ni-based superalloy
镍基高温合金单一晶粒在剪切加工中的纳米尺度变形机制研究
9. Strength, plasticity, thermal stability and strain rate sensitivity of nanograined nickel with amorphous ceramic grain boundaries
非晶陶瓷晶界强化镍纳米晶材料的强度、塑性、热稳定性和应变率敏感性研究
10. Tuning the degree of chemical ordering in the solid solution of a complex concentrated alloy and its impact on mechanical properties
多主元合金中的化学有序调控及其对力学性能的影响
11. Unique crystallographic texture formation in Inconel 718 by laser powder bed fusion and its effect on mechanical anisotropy
激光粉末熔炼Inconel 718中的独特织构及其对机械性能各向异性的影响
12. Vapor phase dealloying kinetics of MnZn alloys
MnZn合金的气相脱合金动力学
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116861
1. Intermittent nucleation and periodic growth of grains under thermo-solutal convection during directional solidification of Al-Cu alloy
Al-Cu合金定向凝固过程中对流条件下晶粒的间歇性形核和周期性长大
Yang Tang, Yue Wu, Ya Zhang, Yongbing Dai, Qing Dong, Yanfeng Han, Guoliang Zhu, Jiao Zhang✉, Yanan Fu, Baode Sun✉
J. Zhang:zj119@sjtu.edu.cn(上海交通大学)
B. Sun:bdsun@sjtu.edu.cn(上海交通大学)
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116861
摘要
合金凝固过程的自然对流显著影响液相中的传热传质,从而影响晶粒的形核和长大。了解对流对铸坯凝固过程的影响是控制铸坯性能的关键。本研究中,我们采用同步辐射X射线技术对Al-15Cu(wt.%)在不同温度梯度下的定向凝固过程进行了原位观察。我们通过图像处理技术可以得到了溶质在视场下的分布和固体的3D微观结构,从而确定渗透率和瑞利数随时间的变化。随后,我们定量研究了溶体流动与组织间的相互作用。结果表明,溶质元素周期性地从熔融区排出,成分过冷的震荡引起了晶粒的间歇性形核和周期性长大,进而引起了溶质渗透率和瑞利数的周期性振荡。此外,在溶质流和对流作用的共同影响下,溶质浓度和形核数的振荡幅度一般呈正弦变化。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116921
2. Kinetics of cyclically-induced mechanical twinning in γ-TiAl unveiled by a combination of acoustic emission, neutron diffraction and electron microscopy
γ-TiAl中循环应变诱导孪晶动力学的声射、中子衍射和电子显微研究
A. Vinogradov✉, M. Heczko, V. Mazánová, M. Linderov, T. Kruml
A. Vinogradov:alexei.vinogradov@ntnu.no
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116921
摘要
我们对主要为γ相的TiAl合金的循环响应和组织演变进行了实时研究。我们采用TEM和SEM - ECCI/EBSD对循环变形过程中位错和机械孪晶的演化特征进行了定性描述。由于TEM只能提供局部和非原位信息,因此我们采用了原位中子衍射技术表征循环过程中的晶格应变分布。此外我们还测量了孪晶体积分数随加载循环次数的变化规律。我们通过以下手段对每个变形循环中控制应变硬化的过程进行了分析:(i)磁滞回线形状的统计分析, 从而表征与变形机制有关的应力分布,(ii) 原位声学数据的统计分析,从而获取变形机制的动力学信息。每种实验方法在描述和解释方面都自身的优点和局限性。多种手段的结合促进了对孪晶、位错滑移等主要变形机制的全面了解。结果表明,在不同的加载周期内,这些机制间的相互作用可以全面地解释TiAl合金的循环力学行为。这种相互作用决定了早期的疲劳损伤演化机制,并可能对室温下γ -TiAl合金的整体疲劳响应有重要影响。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116882
3. Measuring simulated hydrogen diffusion in symmetric tilt nickel grain boundaries and examining the relevance of the Borisov relationship for individual boundary diffusion
镍对称倾侧晶界中的氢模拟扩散及其与Borisov模型的联系
David E. Page, Kathryn F. Varela, Oliver K. Johnson, David T. Fullwood, Eric R. Homer✉
E.R. Homer:eric.homer@byu.edu
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116882
摘要
晶界是金属中重要的扩散途径。本文研究了氢在镍中扩散时不同晶界类型的影响。我们模拟了26种[1 0 0]对称倾斜晶界在几种温度下的变化,并提出了一种改进的均方位移法对晶界的扩散系数进行计算。我们分析了不同晶界的扩散率,晶界和体扩散速率随温度的变化有一交点。Borisov等人将晶界扩散速率与界面能进行了练习,我们对其模型进行了测试。尽管从未有研究采用Borisov关系研究溶质原子的间隙扩散,但当晶界扩散速率高于体扩散速率时,该关系式与模拟值吻合良好。由于晶界几何形状和激活状态,Borisov关系中的一些参数难以测量而一直采用假设值。我们的模拟数据为这些参数提供了物理估计,结果表明其中的一些需要重新考虑。此外,这项工作还表明,虽然尚需进一步验证,但Borisov关系可以合理地将氢的间隙扩散率与单个[1 0 0]对称倾斜镍晶界的界面能联系起来。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116811
4. Mechanisms of Ti3Al precipitation in hcp α-Ti
密排六方α-Ti中的Ti3Al析出机理
Felicity F. Dear, Paraskevas Kontis, Baptiste Gault, Jan Ilavsky, David Rugg, David Dye✉
D. Dye:david.dye@imperial.ac.uk
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116811
摘要
我们采用透射电镜、原子探针和小角X射线散射相结合的方法对α-Ti-Al-X合金中Ti3Al α2有序畴的形核和长大进行了表征。我们将含有O、V或Mo的Ti-7Al (wt.%)模型合金在550℃时效最多120天,在中间时间点观察析出相。结果表明,合金中的析出长大至约30nm,体积分数根据成分不同达到6-10%不等。间隙O原子增加了α2相的平衡体积分数,而V、Mo对α2平衡体积分数的影响较小。添加任何一种溶质元素都可以增加形核密度,减小析出相尺寸和粗化速率,但Mo的效果最显著。粗化过程可以用LSW模型描述,这表明析出粗化主要由基体扩散控制,而非界面控制。固溶温度对形核密度有影响,这一结果支持了空位浓度影响α2形核的假说。所有溶质均增加成核数密度,这也与空位控制形核机制相符。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116851
5. Microstructure evolution under [110] creep in Ni-base superalloys
镍基高温合金[110]蠕变过程中的组织演变
M. Cottura✉, B. Appolaire, A. Finel, Y. Le Bouar
M. Cottura:maeva.cottura@univ-lorraine.fr
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116851
摘要
我们采用二维和三维相场模拟研究了[110]方向蠕变加载过程中Ni基高温合金的微观组织演变。我们将相场模型和基于位错密度的晶体塑性模型进行了耦合。该模型中,每个滑移系统的位错密度遵循存储-恢复定律,并采用硬化矩阵来考虑位错之间的短程相互作用。研究表明,拉伸轴的微小取向差对组织演化有显著影响。完美对齐加载方向时,组织中形成棒状析出,而有微小偏差时,则形成筏状析出。机械载荷的精确方向不同,宏观蠕变行为也不同,这解释了实验结果的偏差。我们研究了非均匀和各向异性的弹塑和塑性驱动力的相对作用,发现塑性是筏状析出形成的主要驱动力。此外,我们的计算还表明,初始位错密度对析出形貌影响较小,但对蠕变曲线影响显著。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116917
6. Modeling solid solution strengthening in high entropy alloys using machine learning
高熵合金固溶强化的机器学习研究
Cheng Wen, Changxin Wang, Yan Zhang, Stoichko Antonov, Dezhen Xue, Turab Lookman, Yanjing Su✉
Y. Su:yjsu@ustb.edu.cn(北京科技大学)
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116917
摘要
固溶强化对单相高熵合金(HEAs)的力学性能至关重要。而由于高熵合金的成分范围极广,因此通过识别控制固溶强化的潜在因素来加速高熵合金的设计是一项具有重大意义的工作。本研究中,我们通过机器学习方法,包括特征构建和特征选择,证明了可以通过元素的电负性差导来表征高熵合金的固溶强化作用。与现有的物理模型相比,我们的模型在预测高熵合金的强度/硬度上表现出更加优越的性能。我们对模型在AlCoCrFeNi, CoCrFeNiMn, HfNbTaTiZr和MoNbTaWV这四种合金体系中的应用和预测进行了讨论。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116922
7. Precipitation in reactor pressure vessel steels under ion and neutron irradiation: On the role of segregated network dislocations
离子和中子辐照条件下反应堆压力容器钢铁材料中析出、偏聚和位错网状的演化及相互作用
G.R. Odette✉, N. Almirall, P.B. Wells, T. Yamamoto
G.R. Odette:odette@engineering.ucsb.edu
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116922
摘要
辐照后反应堆压力容器(RPV)中的高密度Mn-Ni-Si-Cu析出会引起硬化和脆化,从而限制反应堆使用寿命。本研究中,我们对辐照后低合金RPV钢中位错网状处的元素偏聚和析出进行了定量分析。分析主要基于热力学框架,该框架能够较好地描述辐照引起的非平衡扰动效应,如辐射诱导偏聚(RIS)。我们首次将Cu、Mn、Ni、Si的偏聚量化为了5 - 10nm的网状位错段,这些位错段通常被MnNiSi析出相(MNSPs)隔开;在含铜钢中,MNSPs常常附着形成富铜共析出(CRPs)。我们报道了16种RPV钢的原子探针(APT)数据,这些钢具有较宽的成分范围,分别在320℃和290℃受到中子和6.4 MeV Fe3+辐照。这项研究的关键在于,非极高的损伤剂量和辐照导致的扩散增强,有助于区分热力学平衡态和非平衡态效应导致。我们用一套完整的描述符来描述离子和中子辐照下的偏聚和析出,包括:a)位错处的溶质富集因子(EFs)及其随成分的变化; b)基体与位错析出相的各自特征。这些位错特征的形成可能是由于辐射诱导偏析,或热力学因素,或两者兼有。结合简单的模型,我们发现低铜钢中,偏聚促进了MNSP的形核。而在典型过饱和RPV钢中,析出相的快速生长由热力学驱动,直至达到可预测的平衡摩尔分数。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116929
8. Revealing Nanoscale deformation mechanisms caused by shear-based material removal on individual grains of a Ni-based superalloy
镍基高温合金单一晶粒在剪切加工中的纳米尺度变形机制研究
Dongdong Xu, Thomas E.J. Edwards, Zhirong Liao, Xavier Maeder, Rajaprakash Ramachandramoorthy, Manish Jain, Johann Michler, Dragos Axinte✉
D. Axinte:Dragos.axinte@nottingham.ac.uk
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116929
摘要
剪切去除工艺对工件表面质量和工件性能有重要影响。我们通过原位扫描电子显微镜(SEM)对多晶镍基高温合金在切削过程中的晶体流变和晶格旋转进行了研究。对单晶进行纳米切削时,会出现一个变形纳米层,它由只在切削平面内旋转的晶格组成的;随着晶粒剪切引起的纳米切屑增加,变形纳米层的深度增加。当切削多个晶粒时,大角度晶界处发生纳米再结晶,并伴随着沿切削方向的晶界(GB)弯曲,这一现象也显著影响了晶粒的变形行为。在纳米尺度阐明以上问题对于理解切削后工件表面的损伤形成至关重要。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116918
9. Strength, plasticity, thermal stability and strain rate sensitivity of nanograined nickel with amorphous ceramic grain boundaries
非晶陶瓷晶界强化镍纳米晶材料的强度、塑性、热稳定性和应变率敏感性研究
Bingqiang Wei, Wenqian Wu, Dongyue Xie, Michael Nastasi, Jian Wang✉
J. Wang:jianwang@unl.edu
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116918
摘要
纳米晶(NC)金属材料中的大量晶界使得材料具有极高的强度。但纳米晶高温下的组织热稳定性较低,导致强度显著降低。因此,需要保持组织在高温下的稳定。本研究中,我们通过75 at.%Ni和25 at.% SiOC共溅射,在晶粒尺寸13 nm的纳米晶Ni中形成了1 ~ 2nm厚的非晶SiOC晶界,即制备得到了具有核壳结构的非晶陶瓷增强金属(NiSiOC ACRMs)。我们对材料的原始态、400℃退火态和压缩变形后的显微组织进行了表征,证实核壳结构的热稳定性。我们采用SEM下的原位微柱压缩实验测量了材料在室温至400℃范围内的机械性能,应力-应变响应和应变率敏感性。这一非晶陶瓷晶界增强材料具有极高的强度(室温~2.5 GPa,400℃~1.6 GPa)、优异的塑性(均匀压缩应变大于35%,无剪切失稳)和良好的热稳定性。材料的应变速率敏感性高(室温~0.015, 400℃~0.042),激活体积小(约13b3),且无明显的应变硬化/软化行为,这表明晶粒中存在位错滑移。非晶陶瓷晶界能够有效阻碍和捕获位错,强化材料,并促进Ni纳米晶与非晶陶瓷晶界的塑性协同变形; 位错沿非晶界面堆积,有效抑制了纳米晶间局部剪切带的形成。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116938
10. Tuning the degree of chemical ordering in the solid solution of a complex concentrated alloy and its impact on mechanical properties
多主元合金中的化学有序调控及其对力学性能的影响
S. Dasari, A. Jagetia, A. Sharma, M.S.K.K.Y. Nartu, V. Soni, B. Gwalani, S. Gorsse, R. Banerjee✉
R. Banerjee:raj.banerjee@unt.edu
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116938
摘要
我们基于二元混合焓,在Co-Cr-Fe-Ni体系中成功发现了一种高熵合金,即等原子比CoFeNi合金。随后的实验证实,该合金确实是一种接近理想状态的面心立方(FCC)随机固溶体。我们基于相同的热力学分析,通过添加适量的Al和Ti,对随机CoFeNi合金的化学有序状态,包括短程有序和长程有序进行了设计,因为这些元素与Co、Fe、Ni有很强的有序倾向(负混合焓)。基于3d过渡族金属之间的混合焓,我们设计了7种合金。研究表明,化学有序状态对合金屈服强度有显著影响,在相同的晶粒尺寸下,CoFeNi合金的屈服强度为~181 MPa, 而Al0.3Ti0.2Co0.7FeNi1.7合金的屈服强度为~793 MPa。实验测得的候选高熵合金屈服强度与简单强化模型的预测值基本一致。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116876
11. Unique crystallographic texture formation in Inconel 718 by laser powder bed fusion and its effect on mechanical anisotropy
激光粉末熔炼Inconel 718中的独特织构及其对机械性能各向异性的影响
Ozkan Gokcekaya, Takuya Ishimoto, Shinya Hibino, Jumpei Yasutomi, Takayuki Narushima, Takayoshi Nakano✉
T. Nakano:nakano@mat.eng.osaka-u.ac.jp
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116876
摘要
增材制造的工艺参数有很高的自由度,因此很够很好地对各向异性组织进行调控。本研究中,我们用双向激光扫描,制备了一种具有特殊织构的IN718合金,从而调控其力学性能。我们在IN718中实现了3中不同的织构:< 110 >方向平行于制备方向的类单晶组织SCM,具有特定取向的层状组织CLM和弱织构的多晶组织。组织表征和有限元模拟表明,SCM和CLM的织构演变主要受熔池形状和相应的热流方向控制。与铸态IN718相比,由于层间界面的作用,CLM试样具有更好的力学性能。通过改变加载方向来调整应力传递系数和施密特系数,可以对CLM构件的强度-延性平衡进行调控。综上所述,我们为提高结构材料的力学性能提出了一种有前景的新方法。
ACTA
Vol. 212,15 Jun. 2021, 116916
12. Vapor phase dealloying kinetics of MnZn alloys
MnZn合金的气相脱合金动力学
Zhen Lu, Fan Zhang, Daixiu Wei, Jiuhui Han, Yanjie Xia, Jing Jiang, Mingwang Zhong, Akihiko Hirata, Kentaro Watanabe, Alain Karma✉, Jonah Erlebacher✉, Mingwei Chen✉
A. Karma:alainkarma@gmail.com
J. Erlebacher:jonah.erlebacher@jhu.edu
M. Chen:mwchen@jhu.edu
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116916
摘要
气相脱合金化(VPD)是一种环保的纳米多孔材料制备方法,它利用元素饱和蒸气压不同的特点选择性对合金中一种或多种组分进行升华。目前关于复杂结构中固-气相变速率控制因素和VPD动力学的研究较少。我们以Mn-Zn合金为例,系统研究了脱合金速度随温度和压力的变化关系,并建立了定量的动力学模型。研究发现,由于动力学与微观组织的相互作用,脱合金速度的变化规律在某一临界深度将发生线性到幂律的转变。这种转变将早期蒸发过程和孔道中的Zn蒸气扩散联系了起来,而孔道中前沿的Zn分压处于固气平衡状态。我们通过比较VPD和Zn升华的活化能,测定了整个VPD过程的能量分布。以上VPD动力学研究对VPD材料的设计和组织优化提供了有效指导。