高熵合金韌化新發(fā)現(xiàn)——變形誘導(dǎo)非晶化
2021-06-03 來源：GS_Metals
圖1 超細(xì)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(tài)；C：晶態(tài)。
研究人員用高分辨透射電鏡對條帶狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步分析，如圖2所示。在條帶狀區(qū)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(qū)域、點狀區(qū)域和條帶狀區(qū)域均沒有明顯的元素變化，說明Cantor合金中晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變的動態(tài)過程，展示了非晶態(tài)區(qū)域的不斷增加。
在粗晶Cantor合金中，晶態(tài)納米橋的形成會阻礙裂紋擴(kuò)展，提供非本征的韌化機(jī)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(jié)構(gòu)的納米橋，如圖4（A）所示。然而，在超細(xì)晶樣品中，裂紋尖端后方的納米橋為非晶態(tài)。裂紋的擴(kuò)展會伴隨著裂紋表面納米橋的拉長和斷裂。除了非晶態(tài)納米橋，在裂紋尖端后方也觀察到了位錯的產(chǎn)生，如圖5（B）所示。非晶態(tài)納米橋的形成和斷裂以及晶態(tài)區(qū)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(tài)納米橋相比，非晶態(tài)納米橋的邊緣和任何晶體學(xué)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(tài)納米橋。
圖5 超細(xì)晶Cantor合金裂紋尖端后方的非晶態(tài)納米橋。
研究人員用二元Cu-Al合金構(gòu)建面心立方隨機(jī)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(tài)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(xué)模擬結(jié)果。當(dāng)拉伸載荷增加時，不全位錯首先從裂紋尖端處產(chǎn)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(chǎn)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(jié)位錯之間的相互作用造成了裂紋尖端處晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。而且，載荷的增加會引發(fā)非晶態(tài)薄膜局部變形量的增加，造成裂紋尖端處納米空洞的產(chǎn)生（圖6（C, I））。納米空洞的形核、擴(kuò)展和結(jié)合促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。值得注意的，非晶態(tài)納米橋形成于裂紋尾跡處（圖6（F, J））。除了位錯塑性和晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變外，非晶態(tài)納米橋的形成和拉長也會阻礙裂紋擴(kuò)展，提高樣品的韌性。分子動力學(xué)模擬表明，高熵合金中強(qiáng)烈的原子結(jié)合力在位錯介導(dǎo)非晶化機(jī)制中發(fā)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(xué)模擬結(jié)果。
本工作在超細(xì)晶Cantor合金中發(fā)現(xiàn)了變形誘導(dǎo)晶態(tài)向非晶態(tài)的相變現(xiàn)象。裂紋尖端處高的應(yīng)力以及晶格和晶界對位錯強(qiáng)烈的阻礙作用引發(fā)了位錯的大量堆積，導(dǎo)致了固態(tài)非晶化，進(jìn)而造成了能量耗散并阻止裂紋擴(kuò)展。裂紋尾跡處納米非晶橋的形成進(jìn)一步阻礙了裂紋的擴(kuò)展。非晶化和非晶納米橋的形成對裂紋擴(kuò)展的阻礙作用可以用來韌化超細(xì)晶高熵合金！
