On the exceptional damage-tolerance of gradient metallic materials

材料科学 复合材料 微观结构 韧性 断裂韧性 粒度 断裂力学 金属 纳米尺度 冶金 纳米技术
作者
Ruge Cao,Qin Yu,Jie Pan,Yan Lin,A. Sweet,Yi Li,Robert O. Ritchie
出处
期刊:Materials Today [Elsevier BV]
卷期号:32: 94-107 被引量:80
标识
DOI:10.1016/j.mattod.2019.09.023
摘要

An experimental study is described on the fracture toughness and micro-mechanisms associated with the initiation and propagation of cracks in metallic nickel containing marked gradients in grain size, ranging from ∼30 nm to ∼4 μm. Specifically, cracks are grown in a gradient structured (GS) nickel with grain-size gradient ranging from the coarse macro-scale to nano-scale (CG → NG) and vice versa (NG → CG), with the measured crack-resistance R-curves compared to the corresponding behavior in uniform nano-grained (NG) and coarse-grained (CG) materials. It is found that the gradient structures display a much-improved combination of high strength and toughness compared to uniform grain-sized materials. However, based on J-integral measurements in the gradient materials, the crack-initiation toughness is far higher for cracks grown in the direction of the coarse-to-nano grained gradient than vice versa, a result which we ascribe primarily to excessive crack-tip blunting in the coarse-grained microstructure. Both gradient structures, however, display marked rising R-curve behavior with exceptional crack-growth toughnesses exceeding 200 MPa.m½.
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