大自然:出乎意料!刃位错可以控制BCC高熵合金的强度

人们不断寻找新的高温合金,一些基于难熔元素(Cr-Mo-Nb-Ta-V-W-Hf-Ti-Zr)的新型体心立方(BCC)随机多组分“高熵合金(HEAs)”在高温下具有特殊的强度,但其物理来源尚不清楚。

在此,来自荷兰格罗宁根大学的Francesco Maresca&美国田纳西大学的Peter K. Liaw 等研究者,通过集成原位中子衍射(ND)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和最新理论表明,NbTaTiV合金和高强度/低密度CrMoNbV合金的高强度归因于刃位错。相关论文以题为“Strength can be controlled by edge dislocations in refractory high-entropy Alloys”发表在Nature Communications上。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25807

为了实现减少碳排放和提高能源效率这一紧迫的社会目标,研究者们正在致力于新材料的发展。一种途径是用于低温(T)应用的轻质材料(如Mg、Al和增强塑料),如运输,而另一种途径是高温(高T)耐损伤材料,以提高燃烧效率(高温合金和TiAl)。新型高熵合金(HEAs)是一种多组分的单相晶体材料,它随机占据晶格的原子位置。HEAs具有显著的屈服强度、延展性和/或断裂韧性。其中,两种体心立方(BCC) HEAs, MoNbTaW和MoNbTaVW,具有在远高于现有高温合金的温度下保持高强度(图1),但实现这种性能的机制尚未完善。最近的TEM研究表明MoNbTi合金的位错变形超出了通常假设的(110)<111>a/2对合金的发现鲜有建议的螺位错。

图1 合金强度VS温度。

在此,研究者发现,无论是新近的NbTaTiV还是新的CrMoNbVHEAs的高强度和高T强度保留(图1)都是由刃位错控制的。该发现是出乎意料的,因为螺位错一直被广泛理解为在BCC元素金属和稀合金中控制塑性流动,尽管在一些低/中浓度合金中有提示刃位错运动可能被溶质阻碍。与这种稀合金不同,研究者最近的理论表明,某些复杂HEAs中的刃位错在遇到非常大的能垒时可以进行滑动,因此,能够在高温下保持高强度。因此,虽然本文报道的新型CrMoNbV合金在T = 1173 K时具有迄今为止最高的保留强度,研究者利用这种洞察力和理论,对107个BCC HEAs进行了计算引导搜索,并确定了106个可能的超高强度高T合金成分,以供未来探索。

图2 中子衍射和透射电镜实验表明,NbTaTiV中刃位错占主导地位。

图3 中子衍射和透射电镜实验表明,CrMoNbV中刃位错占主导地位。

图4 BCC HEAs中屈服强度的理论预测。

图4b和c显示了约6,000,000合金,在T = 1300k时的估计强度超过1GPa,以及约1,300,000超过2GPa,远远超过任何现有合金的强度。在1300 K时,许多合金也具有强度/密度>0.25GPa g/cm3,这是迄今为止室温下达到的最高水平。研究者提出了两种超高强度/高t合金Mo5W2.5CrZrHf和Mo2.5W2.5CrZrHf用于制备和测试,在1300 K时的预测强度为~3 GPa。

综上所述,当前的工作受到最新理论的推动,通过大量的实验技术证明,刃位错可以控制BCC高熵合金的强度。这一发现支持使用基于刃位错强化的力学理论,在BCC合金中寻找新的、强的合金。研究结果表明,该理论是在庞大的HEAs组合空间中进行组合搜索的有效可行方法。(文:水生)

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