《Science》金屬所盧磊團(tuán)隊(duì)：超高強(qiáng)塑的梯度納米位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)高熵合金
2021-12-10 來(lái)源：GS_Metals
高熵合金（HEA）因其具有近乎無(wú)限的成分區(qū)間、獨(dú)特的化學(xué)短程有序結(jié)構(gòu)，使得其具有優(yōu)異的力學(xué)性能。然而對(duì)于大多數(shù)HEAs而言，其塑性變形特征和機(jī)制與傳統(tǒng)金屬的相似，強(qiáng)度和延展性之間存在一定的權(quán)衡關(guān)系。在傳統(tǒng)金屬中，材料的塑性由基本線缺陷提供，即全位錯(cuò)以及與不同結(jié)構(gòu)缺陷之間的相互作用，如高角度晶界(HAGBs)或?qū)\晶界(TBs)。然而，由于在原子尺度上的化學(xué)短程有序 (SRO) 和空間可變堆垛層錯(cuò)能 (SFE) 的局部不均勻性，在具有高濃度固溶體的HEAs中發(fā)現(xiàn)了一些不同的位錯(cuò)行為。例如，通過(guò)增加納米尺度(通常<3 nm)的局部濃度波動(dòng)或局部化學(xué)短程有序，從而改變位錯(cuò)滑移模式以及增強(qiáng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)/積累的摩擦阻力，這些被認(rèn)為有助于改善高熵合金的機(jī)械性能。因此，需進(jìn)一步通過(guò)研究新穎的微觀組織來(lái)揭示HEA中是否具有獨(dú)特變形機(jī)制，以豐富金屬材料中提高強(qiáng)度和韌性的策略。
近日，中科院沈陽(yáng)金屬所盧磊研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)小角度往復(fù)扭轉(zhuǎn)梯度塑性變形技術(shù)，在一個(gè)穩(wěn)定的單相面心立方HEA中可控地引入了新型梯度納米級(jí)位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)（GDS），該結(jié)構(gòu)包含隨機(jī)取向的、平均尺寸為46 μm的等軸細(xì)晶（局部層錯(cuò)能大小為6~21 mJ/m2）。在早期拉伸應(yīng)變時(shí)，在GDS-HEA中發(fā)現(xiàn)了極高密度的微小堆垛層錯(cuò)（SFs）、孿晶形核和堆積主導(dǎo)的塑性變形。與其他 HEA 相比，梯度位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)顯著提高了材料屈服強(qiáng)度，同時(shí)還能保持良好的塑性和穩(wěn)定的加工硬化。相關(guān)研究成果以題為 “Gradient-cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility”在《Science》上以First Release形式發(fā)布。全文鏈接為http://doi.org/ 10.1126/science.abj8114。
圖1 Al0.1CoCrFeNi高熵合金中典型梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)
從Al0.1CoCrFeNi高熵合金的微觀組織可以看出，晶粒分布較為均勻，隨機(jī)取向，晶體尺寸大小均一。在晶粒內(nèi)部觀察到了單滑移誘導(dǎo)的低角度邊界位錯(cuò)壁(LABs)，在晶粒最頂部的內(nèi)部有大量取向偏差<15°的小角晶界(LAGBs)。隨著距合金表面深度增加，位錯(cuò)胞尺寸逐漸增加，位錯(cuò)密度隨之降低，實(shí)現(xiàn)了位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)從樣品表面至芯部的梯度分布和可控制備。此外拉伸測(cè)試表明，具有梯度位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)的合金不僅讓合金具有很高的屈服強(qiáng)度，是粗晶和細(xì)晶材料的2-3倍。同時(shí)還使其保持良好的塑性和穩(wěn)定的加工硬化能力。此外，研究人員把屈服強(qiáng)度的顯著提高歸功于帶有LABs的納米級(jí)位錯(cuò)單元。由于合金中納米級(jí)的尺寸和高密度的位錯(cuò)這一特征，加上最頂層GDS表面明顯的連續(xù)硬化和整個(gè)GDS樣品不尋常的加工硬化反應(yīng)，表明梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)在應(yīng)變時(shí)有額外的強(qiáng)化和延展機(jī)制。
圖2 梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力學(xué)性能和變形機(jī)制
研究人員進(jìn)一步研究了GDS-H在3%（穩(wěn)定加工硬化的開(kāi)始階段）和40%（塑性的后期階段）的不同應(yīng)變下頂部的微觀組織演變，以揭示梯度位錯(cuò)細(xì)胞結(jié)構(gòu)HEA的內(nèi)在變形機(jī)制。結(jié)果表明極高密度的堆垛層錯(cuò)和TBs介導(dǎo)的塑性變形是梯度位錯(cuò)單元結(jié)構(gòu)是高熵合金中優(yōu)異的力學(xué)性能的主要原因。對(duì)于這種致密的SFs和TBs的優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境溫度下的早期變形階段，傳統(tǒng)金屬材料或大多數(shù)單一FCC相HEAs無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這也主要?dú)w因于HEA的化學(xué)特征以及具有LAB的納米級(jí)位錯(cuò)單元及其空間梯度分布。
圖3 GDS-H Al0.1CoCrFeNi HEA在拉伸應(yīng)變?yōu)?%時(shí)的變形微觀組織
圖4 GDS-H Al0.1CoCrFeNi HEA 在單軸拉伸過(guò)程中在40%拉伸應(yīng)變下的變形特征和原位中子衍射測(cè)量
該項(xiàng)研究通過(guò)一種簡(jiǎn)單的往復(fù)扭轉(zhuǎn)梯度塑性變形技術(shù)得到了新型梯度納米級(jí)位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)，并提出了一種全新的全位錯(cuò)強(qiáng)化的新型層錯(cuò)強(qiáng)韌化機(jī)制。這種變形機(jī)制對(duì)于獲得HEA 固有的共同變形特征至關(guān)重要，并可以廣泛適用于其他 HEA以實(shí)現(xiàn)更好的性能，這對(duì)于高級(jí)工程應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)性，例如汽車、發(fā)電站和航空系統(tǒng)等。
———— 版權(quán)聲明 ————
延伸閱讀
2.如何實(shí)現(xiàn)高熵合金的增強(qiáng)增塑？
3.高熵合金韌化新發(fā)現(xiàn)——變形誘導(dǎo)非晶化
