文|煮酒

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前言

累积辊粘合(ARB)是一种新兴的轧制复合技术,可制备具有超细晶粒和优异力学性能的层状复合材料。将不同材料板材叠压后重复轧制和折叠,可获得高密度细观结构界面和细晶粒强化效应。

近年来,异种金属层压复合材料因其特殊的结构与性能组合而受到广泛关注。

然而目前研究主要集中在静态力学性能,对ARB工艺制备的金属层合材料的疲劳损伤演变规律还知之甚少。

微观结构与粘接

在第一次ARB走刀中板材的堆叠顺序导致两个外层由一个单层组成，而所有内层由两层相同合金组成。

在钛和铝层之间形成了厚度为150nm的界面影响区。在IAZ扫描透射电子显微镜中，揭示了更高的位错密度和更小的晶粒。尽管在第一次 ARB 通过后，层非常笔直，但在两次和三次通过后几乎看不到波纹。特别是与辊子直接接触的外层在RD中表现出厚度的变化。

例如，AlTiAl N3层压板的外层具有更薄的AA2024顶层，而底层非常接近预期的125μm。

除了层形状外，在BSE图像中可以看到微观结构特征。在商业纯钛1级中，出现小变形结构。

纳米压痕

纳米硬度随着ARB通过次数的增加而增加：整体式AA2024合金的纳米硬度几乎线性地从2.27增加到2.58 GPa，Ti的纳米硬度从2.39增加到2.80 GPa。

在两种LMC中，与参考材料相比，外层材料的纳米硬度显示出更高的增加。特别是 AlTiAl 层压板中 AA2024 的纳米硬度从 2.25 GPa提高到 2.93 GPa。

在三次ARB通过后，它超过了单片钛的纳米硬度，因为铝由于其强度较低，在复合材料中的变形大于钛。这导致更高的加工硬化。相比之下，TiAlTi层压板中Ti 1级的纳米硬度从2.37 GPa增加到2.79 GPa。

这种纳米硬度随着ARB通过次数的增加略低于单片钛。这意味着内部材料的纳米硬度没有达到单片材料的纳米硬度。特别是TiAlTi层合板的内铝层在第三次ARB通过后纳米硬度下降。

一方面，材料硬度的降低可能是由于压痕阵列的位置不同。在N3层压板的情况下，压痕阵列相对于最后一个键合界面放置在第三个界面周围。相比之下，N2层压板的缩进阵列位于第二个界面，因此它更接近最后一个粘合平面。

众所周知，对于ARB，局部剪切应变在表面最大，并且可能会在整个厚度上剧烈波动，具体取决于ARB通过次数。另一方面，回收和/或局部动态再结晶也可以在三次ARB通过的高塑性应变后发挥作用。在这种情况下，必须提醒的是，尽管ARB工艺是在室温下进行的，但由于ARB加工过程中的绝热和摩擦加热，板材的温度显着升高。轧制后直接测量板材温度显示最高温度约为80 C。

模拟弯曲应力

在负载下，整体材料中的最大应力达到5 MPa，可以简单计算LMC中应力的偏差。

正如预期的那样，整体材料的仿真揭示了整个厚度上的应力线性增加，与材料的弹性特性无关。相比之下，LMC在材料界面处表现出明显的应力跳跃，这在应力厚度图中可以清楚地看到。

在AlTiAl层压板的情况下，由于载荷从Al到Ti的局部重新分布，与单片材料相比，外纤维中的应力降低，而与整体材料相比，TiAlTi层压板中外纤维中的最大弯曲应力增加。

Al和Ti层中的最大应力值在表中给出，针对每个层压板计算。观察N3层压板的最大值。与单片相比，N3层压板的外层纤维中的应力由于应力重新分布到内部Ti层，因此降低了18%。

然而，在这种情况下，这种较低的应力也会导致外铝层以下Ti层中的应力大幅增加。在相同负载下，Ti 层必须承受比整体外壳高 3.8% 的应力。

层压板的弯曲刚度也使用模拟的挠度和力数据计算得出。单一材料的梁比Al和Ti的输入弹性常数刚度高约108%。

层合板的弯曲刚度介于整体Al和Ti之间，并且随着交替材料层数量的增加而收敛到参考材料的弹性模量的平均值。

根据层压板的结构，N1层压板的弯曲模量与预期的混合物线性值有很大偏差，计算得出为94.4 GPa。

然而，随着ARB通过次数的增加，从而减少层厚度，弯曲模量接近预期的平均值。通常，与AlTiAl层压板相比，TiAlTi层压板在所有ARB通道中都具有更高的弯曲刚度，因为外层的刚度占主导地位。

3.4 弯曲疲劳性能

对层合板和单片材料进行了三点弯曲疲劳测试，并具有一次和三次ARB通过。结果显示在沃勒S–N图中。对于层合板，使用单片梁的分析公式计算出“标称最大弯曲应力幅度”。

图的结果允许所有不同状态之间的良好可比性，因为在层压板中忽略了复杂的应力状态。在下图中，图考虑了从上述有限元分析得出的外纤维的模拟最大应力。

必须指出的是，由于到目前为止进行的测试数量有限，疲劳寿命曲线的绝对位置会有所不同;然而，总的趋势变得清晰起来。通过一次ARB后，在300 2下获得10 MPa的疲劳强度6疲劳循环，而经过三次ARB通过后达到330 MPa。

在LCF状态下，随着ARB通过次数的增加，疲劳寿命也有所改善。相比之下，铝合金AA2024在N200和N1条件下的疲劳强度均为3 MPa。

LCF 寿命也受到 ARB 通道次数的显著影响。与 Ti 等级 1 相比，从 LCF 到 HCF 制度的过渡发生在更少的循环次数上。

2 10 时的标称耐久疲劳强度AlTiAl层压板的循环在N225条件下为1 MPa，在N205条件下为3 MPa。

与HCF状态下疲劳寿命的降低相反，LCF寿命略有改善，执行三次ARB通过。与单片AA2024相比，AlTiAl层压板在LCF区域表现出两种经过测试的ARB的疲劳寿命更高。

相反，HCF 状态下的疲劳寿命是在一次 ARB 通过后高出约 25 MPa 和三次 ARB 通过后类似于 AA2024 在三次 ARB 通过后。与AlTiAl LMC相比，TiAlTi层压板表现出更高的疲劳寿命，特别是在LCF区域。

2 10 时的持久疲劳强度6对于两次执行的ARB通道，循环约为245 MPa。它比AlTiAl层压板高出约20-40 MPa。与单片钛相比，LCF区域的差异在一次ARB通过后略低于三次ARB通过后的差异。

在第三次ARB通过后，HCF中Ti和TiAlTi S–N图之间的差距也更大。对于这两种层压板，在N3条件下，HCF状态下疲劳寿命曲线的斜率似乎比N1层压板更陡峭，这似乎也很普遍。但是，必须进行进一步的疲劳测试以证明这种行为。

根据有限元分析计算的层压板外纤维中的有效应力显示了相同的S-N结果。这是因为疲劳裂纹始于材料表面，那里出现最高的应力。此外，弹性模拟就足够了，因为疲劳实验中的应力低于屈服强度。如仿真所示，AlTiAl层压板外纤维中的有效应力比使用单片材料的解析方程计算得出的低6.6%。

因此，AlTiAl在一次ARB通过后显示出与单片AA2024几乎相同的信噪比曲线。由于N3层压板的外铝层变得非常薄，内部Ti承受更多的载荷，并将外应力降低约18%。

因此，外铝层的持久有效疲劳强度降低到170 MPa左右，远低于整体材料。LCF 状态下的疲劳寿命几乎等于单片 AA2024。

TiAlTi层压板显示，与整体仿真相比，N6%条件下的外应力增加了1%，N18条件下的外应力增加了3%。

关于这些结果，LCF状态下的TiAlTi N1疲劳寿命与单片Ti相当接近。在第三次ARB通过后，这个小间隙变得更近，疲劳寿命几乎相同。HCF状态下的应力振幅也更接近单片钛的应力振幅。

3.5 裂纹扩展

裂纹扩展在疲劳中起着重要作用，对整个疲劳寿命的贡献程度不同。在弯曲疲劳的情况下，裂纹在外纤维处开始，那里出现最高的应力值。

引发宏观裂纹N所需的循环次数我，从频率下降分析中获得，以及断裂的周期数如图所示。在LCF体系中，AlTiAl N1中的裂纹萌生发生在失效N循环总数的69%左右。这明显早于TiAlTi层压板和单片对应物的情况，为N我相当于90%。

相比之下，单片材料显示出不变的更高N/Nf比例为92%。与单片材料相比，LMC中的裂纹扩展速度较慢。

特别是，AlTiAl N1层合板中的Al-Ti中间层似乎最有效地阻碍了裂纹的扩展。在HCF区域，裂纹萌生主要决定疲劳寿命，N/Nf层压板和整体材料的比率均为97-99%。因此，裂纹扩展对于整个疲劳寿命变得不那么重要。

采用SEM评估不同层架构和界面对裂纹路径的影响。

整体材料中的裂纹主要延伸到中心层，这是最后一个冷焊，因此也是最薄弱的界面。在整体式AA2024的情况下，裂缝经常被转移，这可能是由粗沉淀引起的。整体Ti显示出一个广泛开放的主裂纹，伴随着垂直于驱动力的较小侧裂纹。

后一种行为在某种程度上可能是由局部较弱的键界面引起的。在AlTiAl层压板中，在外铝层开始出现多个裂纹。其中一些在第一个Al-Ti界面处偏转或停止。主裂纹进一步蔓延到第二个Al-Ti界面，在那里被转移。

此外，由于最后一个ARB键合平面的粘合强度较低，每个AlTiAl试样都沿着两个内Al层之间的界面分层。在TiAlTi层压板中，宽开的裂缝在第一个Al-Ti界面处被转移。只有一条小裂缝直接向前蔓延到钛层并停在那里。层合板的两个典型裂纹网络都显示出裂纹在向Ti的过渡处停止。

因此，AA2024似乎是LMC中较弱的组成部分。此外，在AlTiAl中，Ti层在停止的裂纹之前显示出明显的塑性区域，这与在整体Ti上观察到的行为非常相似。相比之下，在TiAlTi层压板中，裂纹周围没有可见的塑性区域。

其中一个原因可能是不同的应力水平，两种层压板在相似的疲劳寿命下可以抵抗这些应力水平。例如，AlTiAl样品的应力比TiAlTi层压板低9 MPa。此外，由于应力重新分布，AlTiAl层压板的Ti层中的有效应力降低。

另外，表面材料的剪切变形更强，由辊子与片材表面之间的摩擦引起，导致加强。这导致从表面到层压板中间的强度梯度。

此外，通过显微CT测量提供了裂缝网络的3D记录。堆叠了两种不同类型的部分来分析这些数据。

九个切口平行于RD和ND，彼此之间约1毫米。这些视图中的裂纹扩展可以与图中SEM记录的侧视图进行比较。此外，还创建了RD-TD平面的四个切口。这些切口取自四个较低的Ti层，因为裂纹仅在Ti材料中可见，并且仅扩展到中间层。因此，可以看到沿样品宽度的裂缝路径的中断或分叉。

特别是在图中，可以在第一Ti层中区分出三个独立的裂纹。两个较小的裂缝在Ti层内停止，因为它们没有出现在外Ti层的下一个图像中。较大的裂缝会扩展到下一层。

裂纹在随后的Al层中向右侧传播，而裂纹在图中向左侧传播。主裂纹分支在第二Al-Ti界面或Al层中。因此，LMCs中的扩展周期数增加。 基于μ-CT结果，裂纹分岔和锯齿形裂纹扩展是裂纹扩展状态延长的原因。

影响因素

通过三点弯曲疲劳试验对两种典型层序Al/Ti层压板进行了循环疲劳测试,结果表明TiAlTi结构的抗疲劳性能优于AlTiAl结构。

有限元模拟结果进一步揭示了这种差异的机制在于不同层序对应的最大应力分布状态不同。具体而言,TiAlTi结构中较软的Ti层承受了更高的应力水平,从而限制了疲劳裂纹的扩展。

另外,两种材料自身疲劳损伤行为特征也影响了层压材料的抗疲劳性能。通过纳米压痕和断口表征分析发现,TiAlTi结构中Ti层的细晶强化效果随ARB通道数增加而不断增强。本研究结果表明,Al/Ti类层压复合材料通过优化层压结构可以获得优异的抗弯曲疲劳性能,明显高于简单混合规则预测的值。

参考文献：

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2A. Prakash, W.G. Nöhring, R.A. Lebensohn, H.W. Höppel, E. Bitzek, Mater. Sci. Eng. A 2015, 631, 104.

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