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金属学报    DOI: 10.11900/0412.1961.2024.00258
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类竹纤维结构TiB/Ti复合材料设计制备与强韧化机制
魏子超,吴华舵,黄光法,乐建温,吕维洁,韩远飞
上海交通大学 材料科学与工程学院 金属基复合材料国家重点实验室  上海 200240
Design and Fabrication of Bamboo-fiber Like TiB/Ti Composites with Strengthening and Toughening Mechanisms

WEI Zichao, WU Huaduo, HUANG Guangfa, LE Jianwen, LV Weijie, HAN Yuanfei

The State Key Lab of Metal Matrix Composites, School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
引用本文:

魏子超 吴华舵 黄光法 乐建温 吕维洁 韩远飞. 类竹纤维结构TiB/Ti复合材料设计制备与强韧化机制[J]. 金属学报, 10.11900/0412.1961.2024.00258.

全文: PDF(4003 KB)  
摘要: 
天然竹纤维由于具有独特的组织结构而具有优异的力学性能,可为金属基复合材料的增强体构型化设计提供解决思路。与此同时,非连续增强钛基复合材料是一种高强低塑的材料。受高强韧化的仿生竹纤维结构启发,本研究成功制备了具有类竹纤维结构的TiB/Ti复合材。通过对比分析了类纤维结构与均匀复合增强钛基复合材料的力学性能,发现TiB晶须的类纤维结构对复合材料的力学行为和断裂机制起着重要作用。在相同体积分数下,类纤维结构增强TiB/Ti复合材料的抗拉强度保持TiB晶须均匀分布增强钛基复合材料的水平,而断裂延伸率达到19.1%;其抗拉强度的保持,主要源于类纤维分布TiB的高承载效率,以及增强体诱导的细晶强化;此外,连续钛基体区域协同提高了复合材料的应变硬化率,使其塑性变形能力加强,并且该区域在协同类纤维结构变形过程中,能够有效钝化和偏转裂纹,提高复合材料的韧性。这项工作揭示了增强体非均匀分布策略在协同改善钛基复合材料强度和塑韧性方面的潜力。
关键词 钛基复合材料仿生结构微观结构力学行为强韧化    
Abstract

Natural bamboo fiber possesses excellent mechanical properties due to its unique microstructure, potentially enabling the configurational design of reinforcement in metal matrix composites. Meanwhile, discontinuously reinforced titanium matrix composites are high-strength materials with low ductility. Inspired by the intricate structure of biomimetic bamboo fiber with high strength and toughness, TiB/Ti composites reinforced with a bamboo-fiber-like structure were successfully fabricated in this study. Comparing the mechanical properties of the fiber-like structure with those of their uniform counterpart, the fiber-like structure of TiB whiskers was important in mechanical behaviors, and fracture mechanisms of the composites. For the same volume fraction, the fiber-like-structure-reinforced TiB/Ti composites maintained the high tensile strength of its uniform counterpart but extended elongation to 19.1%. Tensile strength was primarily maintained by leveraging the high load-bearing efficiency of the fiber-like TiB distribution and reinforcement-induced fine-grained strengthening. Meanwhile, the continuous matrix region synergistically improved the strain hardening rate of the composites, enhancing their plastic deformation ability. Moreover, cracks were effectively passivated and deflected during the synergistic deformation process of the fiber-like structure to improve the toughness of the composites. This work reveals the potential of employing a non-uniform reinforcement distribution strategy to synergistically improve the strength and ductility/toughness of titanium matrix composites.

KEYWORDS titanium matrix compo
收稿日期: 2024-08-14     
基金资助:国家重点研发计划项目;国家自然科学基金项目
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