高熵合金小尺度力学行为:揭示动态强化与相界面作用机制

多主元素合金(MPEA)又称高熵合金(HEAs),由于其具有高断裂韧性、良好的耐磨性和疲劳性、高强度和良好的高温性能等优异的物理力学性能,为结构合金的设计和开发提供了一种新的范式。然而具有固溶相的层状排列的低共熔高熵合金代表了同时实现高强度和延展性的新范式,从而打破了传统合金中这一众所周知的认识。

但是,这些共晶体系在外加载荷过程中的动态强化机制和相界相互作用尚不清楚。来自美国北德克萨斯大学(University of North Texas)的一项研究项目中,系统地评估了AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的小尺度力学行为,系统的阐述一系列的试验结果,这为对特定相对浓缩合金整体机械响应的基本理解铺平道路,并有助于设计具有高断裂韧性的结构材料。相关论文以题为“Small-scale mechanical behavior of a eutectic high entropy alloy”于2月14日发表在ScientificReports。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41598-020-59513-2

在这项研究工作中,研究人员为了更好地理解加载过程中的相界相互作用,对AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的相态力学行为进行系统研究。采用熔化一定比例的纯元素的方式,制备出AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。

铸态组织由(a)富Fe、Co、Cr的L12相和(b)富Ni、Al的B2相的共晶片层组成。铸态合金的平均晶粒尺寸约为100μm,B2相由无序的体心立方结构的富铬相组成,平均尺寸约为20nm。AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金在拉伸和压缩载荷下表现出优异的强度和延展性。

高熵合金小尺度力学行为:揭示动态强化与相界面作用机制

在拉伸载荷下,屈服强度为750±24MPa,极限抗拉强度为1165±20 MPa,延伸率为18%。在压缩载荷下,屈服强度为517±7 MPa,极限抗压强度为1863±12 MPa,塑性为34.3%。断口形貌可为B2相的脆性断口和L12相的韧性断口。

高熵合金小尺度力学行为:揭示动态强化与相界面作用机制

B2相的硬度高于L12相,模量略低于L12相。相特定应变率灵敏度(SRS)测量表明,B2相的SRS值高于L12相。合金的总体SRS值与B2相的SRS值接近,表明B2控制了当前EHEA的变形。

高熵合金小尺度力学行为:揭示动态强化与相界面作用机制

单轴微柱压缩研究表明,B2相的屈服强度(610MPa)比L12相的屈服强度(460MPa)高。含有这两种相的混合柱呈现双屈服现象。两相界面处的TEM分析表明,L12相位错密度高,并被含有高密度富Cr析出物的B2相阻挡。然而,即使在高压缩应变后,所有混合柱子的压缩过程中也能很好地保存相边界。

高熵合金小尺度力学行为:揭示动态强化与相界面作用机制

与L12相相比,B2相表现出较高的摩擦系数。利用立方角金刚石压头进行小规模划痕时,L12相通过形成多条滑移线和明显的材料堆积而变形。

高熵合金小尺度力学行为:揭示动态强化与相界面作用机制

总之,这项研究中科研人员通过研究了AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金在小尺度下的力学行为,以期从根本上了解相特性对整体力学响应的贡献。有望为高熵合金(HEAs)结构设计以及开发提供了一种新的范式,为共晶体系在外加载荷过程中的动态强化机制和相界相互作用提供一定理论依据,为高熵合金在机械响应的基理方面提供了数据支持。

来源:材料科学与工程公众号,作者:冯冯。

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