《Nature Commun》双相高熵合金的超高应变硬化

近日,浙江大学、韩国首尔大学、澳大利亚新南威尔士大学与美国加州大学合作的一项最新研究表明,高熵合金应变硬化是由于三维错层错网络的形成而造成的,它阻碍了位错运动并进一步为hcp的形成提供了优选的位置。通过TRIP效应进入相位,发生局部化学成分的变化加剧的现象,为高熵合金的力学行为研究提供了理论基础。相关论文以题为“Real-time observations of TRIP-induced ultrahigh strain hardening ina dual-phase CrMnFeCoNi high-entropy alloy”于2月11日发表在Nature Communications。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14641-1

研究人员根据工程应力-应变曲线,将Cr20Mn6Fe34Co34Ni6双相高熵合金(DP-HEA)与等原子CrMnFeCoNi Cantor合金进行单轴拉伸性能和晶粒组织比较。对比发现,DP-HEA抗拉强度接近1 GPa,抗延展性接近60%,其性能大大高于Cantor合金,DP-HEA中的整体微观结构的晶粒尺寸在3至10μm之间变化(图1c),明显优于Cantor合金(图1b)。DP-HEA由fcc基质组成,其中hcp相以层状形式生长。在DP-HEA的fcc矩阵中出现Lomer位错锁,能够稳定堆垛层错网络,从而对位错运动(加工硬化)产生强烈的阻碍作用,还可以促进SF底部hcp相的形核和生长。

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图1 双相和Cantor合金的比较(红色为奥氏体fcc相,绿色为hcp ε-马氏体,比例尺20μm)

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图2 DP-HEA的TEM和STEM表征

《Nature Commun》双相高熵合金的超高应变硬化

图3 薄hcp板的交叉点和堆垛层错对位错运动的障碍影响

研究人员对fcc奥氏体,hcp ε-马氏体和fcc/hcp双相支柱进行纳米压缩测试。发现三种结构支柱均相对均匀地变形,表明具有很高的塑性稳定性。双相的极限强度最高,其次是纯hcp相,最后是纯fcc相,hcp相明显强于fcc相,稳定的堆垛层错网络是动态相变(TRIP)效应的基础,而动态相变是这种双相高熵合金具有出色的塑性和应变硬化的主要来源。

《Nature Commun》双相高熵合金的超高应变硬化

图4 三种结构原位TEM压缩测试

双相HEA Cr20Mn6Fe34Co34Ni6与Cantor合金相比具有较大的晶格畸变,成分上增加了Co和Fe含量,而降低了Mn和Ni含量。化学成分的这种变化不仅会造成位错滑移的物理障碍,而且可能是调节局部堆垛层错能量的关键因素。

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图5 DP-HEA中两个堆叠断层相交处的元素分布、映射和线形图

综上所述,在双相高熵合金中,连续的原位相变是应变硬化的主要因素。与传统的双相合金不同,在DP-HEA中,这种转变的动机在于建立堆叠-故障网络,该网络形成了fcc→ hcp转变,并且由于与晶格摩擦有关的波动而固有地形成集中波。该研究可以为理解双相HEA在原子尺度上的局部化学结构以及与氢的动态演化的协同效应提供良好的基础。TRIP效应产生的微观结构,是这种复杂的Cantor型双相合金中结构与性能之间关系的基础。

来源:材料科学与工程公众号。作者:破风

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