卢磊,金属研究所,科学!超高强度塑性高熵合金

与传统材料相似,大多数多组分高熵合金(HEAs)在获得强度的同时,也失去了延展性。在此,来自中国科学院金属研究所的卢磊等研究者,采用可控方法在具有面心立方结构的稳定单相HEA中引入梯度纳米位错胞状结构,从而在不明显丧失延展性的前提下,提高了HEA的强度。相关论文以题为“Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility”于11月19日正式发表在最新一期《Science》上。当期《Science》另有一文以题为“Strength through high slip-plane density”针对此成果进行解读。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8114

解读链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm0120

高熵合金(HEAs),或含有多个主族元素的合金,具有接近无限的多组分相空间,从而可获得异常的力学性能。一些单相HEAs,通过调整其化学复杂性而产生了固有的浓度不均匀性,从而实现了良好的强度和延展性、高加工硬化和特殊的损伤容差。此外,设计一个由梯度晶粒尺寸、纳米团簇、多相等组成的空间非均匀微观结构,也可以使HEAs获得与传统异质结构金属材料类似的优异性能。然而,对于大多数HEAs来说,传统金属材料的持久强度-延性的矛盾仍然存在。

HEAs存在强度和延性之间的权衡,因为迄今报道的HEAs的基本塑性变形特征和机制与传统金属相似。具有可塑性的基本线缺陷,即在传统金属中,完全位错和与不同结构缺陷(如高角度晶界(HAGBs)或孪晶界(TBs))的相互作用已被很好地理解。值得注意的是,由于化学短程有序(SRO)和空间变量叠加故障能(SFE)在原子尺度上的局部不均匀性,在高浓度固溶体的HEAs中发现了一些不寻常的位错行为。例如,在纳米尺度(一般为3nm),由于局部浓度波动或局部SRO的增加,位错滑移模式的改变,以及对位错运动或累积的摩擦阻力增强,这些因素都可能有助于改善力学性能。

在这里,研究者提出了在稳定单相面心立方(fcc) Al0.1CoCrFeNiHEA中存在非均匀梯度位错胞状结构(GDS),该HEA中含有随机取向的等轴细晶粒(FGs),平均直径为~46 μm。该合金是一种经过充分研究的模型材料,局部SFE变化为6至21 mJ/m2。研究发现,在初始拉伸应变作用下,GDS HEA中出现了意想不到的高密度微小堆积断层(SFs)、孪晶形核和堆积主导的塑性变形。与其他HEAs相比,这一特性产生了超高强度和延性性能。

在应变作用下,试样水平的结构梯度诱导高密度的微小层错(SFs)和孪晶逐渐形成,由大量的低角度位错胞状成核。此外,sf诱导的塑性和由此产生的精细结构,加上密集累积的位错,有助于塑性、强度增加和加工硬化。这些发现,为利用梯度位错胞状在纳米尺度上剪切性能提供了一个很有前途的范例,并促进了人们对HEAs内在变形行为的基本理解。

图1 典型的梯度位错组织和结构梯度。

图2 GDS Al0.1CoCrFeNi HEA的力学性能。

图3 拉伸应变为3%时GDS-H Al0.1CoCrFeNi HEA的变形组织。

图4 GDS-H Al0.1CoCrFeNi HEA在40%拉伸应变下的变形特征和单轴拉伸时的原位中子衍射测量。

综上所述,研究者的观察结果表明,在单相fcc Al0.1CoCrFeNiHEA上的工程梯度LAB结构,有助于激活增强SF-诱导塑性的机制,从而获得优异的强度和延性。在GDS HEA中发现这种SF和孪生行为,对于获得HEA固有的共同变形特征至关重要。该方法可广泛应用于其他HEA系统,特别是实现性能优越、性能更好的HEA系统,对汽车、电站、航空系统等先进工程应用具有基础性和应用意义。(文:水生)

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