[论文解读] Polycrystal model of the mechanical behavior of a Mo-TiC30vol.% metal-ceramic composite using a 3D microstructure map obtained by a dual beam FIB-SEM

Denis Cédat, Olivier Fandeur+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2013

Advanced materials and composites被引用 5

一句话总结

本研究利用双束FIB-SEM/EBSD断层扫描重建的真实3D显微组织图，为Mo-TiC30vol.%金属-陶瓷复合材料构建了一个3D多晶模型。该模型将钼的晶体塑性与碳化钛（TiC）颗粒的累积损伤定律相结合，能够准确预测25–700°C温度范围内局部应力场和宏观应力-应变行为，25°C时模拟与实验结果高度一致，所有温度下第三阶段行为也表现出良好一致性。

ABSTRACT

The mechanical behavior of a Mo-TiC30 vol.% ceramic-metal composite was investigated over a large temperature range (25^{\circ}C to 700^{\circ}C). High-energy X-ray tomography was used to reveal the percolation of the hard titanium carbide phase through the composite. Using a polycrystal approach for a two-phase material, finite element simulations were performed on a real 3D aggregate of the material. The 3D microstructure, used as starting configuration for the predictions, was obtained by serial-sectioning in a dual beam Focused Ion Beam (FIB)-Scanning Electron Microscope (SEM) coupled to an Electron Back Scattering Diffraction system (3D EBSD, EBSD tomography). The 3D aggregate consists of a molybdenum matrix and a percolating TiC skeleton. As most BCC metals, the molybdenum matrix phase is characterized by a change in the plasticity mechanisms with temperature. We used a polycrystal model for the BCC material, which was extended to two phases (TiC and Mo). The model parameters of the matrix were determined from experiments on pure molydenum. For all temperatures investigated, the TiC particles were considered as brittle. Gradual damage of the TiC particles was treated, based on an accumulative failure law that is approximated by an evolution of the apparent particle elastic stiffness. The model enabled us to determine the evolution of the local mechanical fields with deformation and temperature. We showed that a 3D aggregate representing the actual microstructure of the composite is required to understand the local and global mechanical properties of the studied composite.

研究动机与目标

• 理解Mo-TiC30vol.%金属-陶瓷复合材料在变形和不同温度下的微机械行为与损伤演化机制。
• 通过使用真实的3D显微组织，克服以往基于理想化或随机晶粒聚集体模型的局限性。
• 开发并验证一种双相多晶模型，以捕捉TiC连通性及钼基体温度依赖性塑性的影响。
• 基于有效弹性模量退化，实现对脆性TiC颗粒的物理基础损伤演化定律。
• 利用基于实验显微组织数据获得的代表性3D聚集体，实现对局部与全局力学响应的精确预测。

提出的方法

• 采用双束FIB-SEM连续切片技术（空间分辨率为50 nm）与EBSD测绘，重建了Mo-TiC复合材料的3D显微组织。
• 高能X射线断层扫描证实了TiC相的3D连通性，用于验证FIB-SEM重建结果。
• 对钼基体应用基于晶体塑性的多晶模型，其参数通过纯钼的实验数据反演校准。
• TiC颗粒的损伤被建模为有效弹性刚度的累积降低，当局部应力超过临界阈值时触发。
• 在重构的3D聚集体上进行有限元模拟，施加与实验加载一致的边界条件，模拟单轴压缩载荷。
• 通过比较模拟的宏观应力-应变曲线与25–700°C范围内的实验数据，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高温下，TiC颗粒的3D连通网络如何影响Mo-TiC复合材料的局部与全局力学响应？
• RQ2 结合温度依赖性塑性钼基体与TiC损伤演化的多晶模型，能否准确预测复合材料在25–700°C范围内的应力-应变行为？
• RQ3 与理想化或随机晶粒模型相比，基于FIB-SEM/EBSD重建的3D聚集体所体现的显微组织真实性，在预测复合材料行为方面起到何种作用？
• RQ4 脆性TiC颗粒的损伤演化如何影响基体中应力重分布与加工硬化行为？
• RQ5 TiC颗粒有效弹性模量退化与宏观应力-应变曲线（尤其是第三阶段）的相关性如何，其程度如何？

主要发现

• 通过FIB-SEM/EBSD断层扫描重建的3D聚集体揭示了高度连通的TiC骨架，这对载荷传递与损伤演化至关重要。
• 在25°C时，模拟的应力-应变曲线与实验结果高度一致，当ε22 = -0.09时，宏观应力差异小于10 MPa。
• 在所有温度下，模型均准确捕捉到第三阶段硬化速率的平台区，归因于TiC中广泛存在的微裂纹及承载能力下降。
• 钼基体内部应力分布显示，在TiC界面附近存在高达500 MPa的局部拉应力，尤其在低温下更为显著，表明此处为基体损伤起始的潜在位置。
• 高温下TiC的损伤演化更缓慢，导致应力-应变曲线出现更长的平台区，与实验观察一致。
• 模型对TiC因累积损伤导致的有效弹性模量衰减的预测，成功解释了模拟曲线上大应变区域出现的微弱负加工硬化斜率。