高熵合金韌化新發現——變形誘導非晶化
2021-06-03 來源：GS_Metals
圖1 超細晶Cantor合金（晶粒尺寸~500nm）中裂紋尖端附近的微觀組織 A：非晶態；C：晶態。
研究人員用高分辨透射電鏡對條帶狀結構進行了進一步分析，如圖2所示。在條帶狀區域，非晶帶和晶帶交替分布，平均寬度分別為~1.7nm和2.3nm。晶帶墻之間的取向差不超過1°，在非晶帶和晶帶的界面附近存在一些位錯。在圖1（A）中的非晶區域、點狀區域和條帶狀區域均沒有明顯的元素變化，說明Cantor合金中晶態向非晶態的轉變不會造成裂紋尖端處元素分布的明顯變化。
圖2 條帶狀結構的HRTEM表征，其中1,2,3,4是四個晶體帶。
圖3 裂紋尖端處晶態向非晶態轉變的動態過程，展示了非晶態區域的不斷增加。
在粗晶Cantor合金中，晶態納米橋的形成會阻礙裂紋擴展，提供非本征的韌化機制。在本工作中，研究人員在粗晶樣品（晶粒尺寸~10μm）中觀察到了面心立方結構的納米橋，如圖4（A）所示。然而，在超細晶樣品中，裂紋尖端后方的納米橋為非晶態。裂紋的擴展會伴隨著裂紋表面納米橋的拉長和斷裂。除了非晶態納米橋，在裂紋尖端后方也觀察到了位錯的產生，如圖5（B）所示。非晶態納米橋的形成和斷裂以及晶態區的位錯都會耗散能量，提高樣品的韌性。和粗晶樣品中的晶態納米橋相比，非晶態納米橋的邊緣和任何晶體學面都不平行。
圖4 粗晶Cantor合金（晶粒尺寸~10μm）裂紋尖端后方的晶態納米橋。
圖5 超細晶Cantor合金裂紋尖端后方的非晶態納米橋。
研究人員用二元Cu-Al合金構建面心立方隨機固溶體模型，用來研究合金元素對裂紋尖端位錯塑性和固態非晶化的影響。圖6給出了Cu-10 at.%Al二元模型合金裂紋尖端非晶化的分子動力學模擬結果。當拉伸載荷增加時，不全位錯首先從裂紋尖端處產生（圖6（A））；隨后大量的位錯在裂紋尖端處的不同滑移面上產生（圖6（B））。然而，由于高的晶格阻力限制了位錯運動，大量位錯在裂紋尖端處堆積。高密度的纏結位錯之間的相互作用造成了裂紋尖端處晶態向非晶態的轉變。而且，載荷的增加會引發非晶態薄膜局部變形量的增加，造成裂紋尖端處納米空洞的產生（圖6（C, I））。納米空洞的形核、擴展和結合促進了裂紋的擴展。值得注意的，非晶態納米橋形成于裂紋尾跡處（圖6（F, J））。除了位錯塑性和晶態向非晶態的轉變外，非晶態納米橋的形成和拉長也會阻礙裂紋擴展，提高樣品的韌性。分子動力學模擬表明，高熵合金中強烈的原子結合力在位錯介導非晶化機制中發揮著重要作用。
圖6 Cu-10 at.%Al二元模型合金裂紋尖端非晶化的分子動力學模擬結果。
本工作在超細晶Cantor合金中發現了變形誘導晶態向非晶態的相變現象。裂紋尖端處高的應力以及晶格和晶界對位錯強烈的阻礙作用引發了位錯的大量堆積，導致了固態非晶化，進而造成了能量耗散并阻止裂紋擴展。裂紋尾跡處納米非晶橋的形成進一步阻礙了裂紋的擴展。非晶化和非晶納米橋的形成對裂紋擴展的阻礙作用可以用來韌化超細晶高熵合金！
