Acta mater:多元熵合金在高频动态载荷下的独特变形机制

编辑推荐:本研究发现并揭示了多组分熵合金在高频动态加载下独特的变形机制,并提出了其在室温下快速、低应力的结构成形工艺,可为先进材料的精密加工、结构成形、性能调控等方面提供新的技术途径和理论基础。

多组分合金是由多种元素混合而成,这种多组分固溶效应赋予了材料新的性质,通过调整元素组分及晶体结构,不仅可得到高强度、高韧性的力学性能,也可获得耐高温、耐极寒、抗辐射、抗腐蚀、软磁性等一系列优异的理化特性。多组分合金作为一种潜在的结构、功能一体化材料,在光电、医疗、能源、航空、航天等诸多领域有着广泛的应用前景,而其中一个关键问题是如何将多组分合金快速、高效地成形为所需的几何形状,以满足特殊场景的应用需求。因此,多组分合金的加载变形机理及结构成形工艺一直是该领域的核心研究问题之一。

近日,深圳大学与美国田纳西大学、南方科技大学及河海大学合作提出采用高频超声振动对多组分熵合金进行加载和成形,发现了其独特的变形特性与微观组织演化规律,并基于此提出了多组分熵合金的快速、低应力的结构成形方法。相关论文以题为“Ultrasonic-vibration-enhanced plasticity of an entropic alloy at room temperature”发表在Acta Materialia上。李真博士为论文第一作者,马将教授和Peter K. Liaw教授为共同通讯作者。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117569

本研究采用的高频超声动态加载最大瞬时应变率可达103/s,循环载荷频率20000次/s,在此加载模式下Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金的宏观变形特性如图1所示,其最大塑性应变量由常规准静态加载(应变率2×10-4/s)下的17%提升到30%,且超声加载过程中的最大变形应力仅为98 MPa,不到材料压缩强度(650 Mpa)的1/6,且变形在1秒内完成,平均应变率为0.3/s。在常规加载下,Al80Li5Mg5Zn5Cu5出现了典型的压缩断裂裂纹,而在高频超声加载下,其塑性应变量提升将近1倍,但是并未出现裂纹。同时,采用红外热像仪拍摄了高频动态加载过程中材料的温度场分布,变形区域最高温度为89℃,远低于材料的软化点温度,热效应对材料变形的影响可以忽略,因此,高频动态加载显著提升了Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金的室温塑性,并极大降低了变形应力。

图1 Al80Li5Mg5Zn5Cu5多组分合金在不同加载条件下的变形特性:a高频超声动态加载示意图,b常规加载(CC)和超声加载(UC)下多组分合金的最大应变量,c超声加载下变形区域的红外热像图,d常规加载的室温应力-应变曲线,e多组分合金超声加载下的力学响应。

宏观变形特性的变化必然与不同的微观演化过程相对应。与常规加载相比,高频超声加载下Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金的微观组织出现截然不同的演化规律,研究发现Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金由塑性较好的FCC α-Al相和硬脆的Al2Cu、MgZn2等金属间化合物相(IMCs)组成,如图2所示,因此,在加载变形过程中,塑性应变主要由FCC相容纳,而IMCs相则会起到一定的强化作用。在高频超声动态加载下FCC相的晶粒发生显著细化,同时,硬脆IMCs相也出现了显著的细化弥散现象,平均尺寸由15 μm减小至6 μm,而常规加载没有此演化规律。此外,高频动态加载下的这种应力效应也使Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金变形织构显著弱化,而常规加载由于是单轴连续加载,会在变形区域形成显著的Goss{110}<001>织构。

图2 不同样品的微观组织结构分析:a 原始样品和压缩样品的X射线衍射(XRD)图,b FCC和IMCs相的透射电镜(TEM)图,c 不同相的选区电子衍射(SAED)图,d 不同相的能谱(EDS)图,e、f、g 原始样品、常规加载(CC)和超声加载(UC)样品的电子背散射衍射反极图,h、i、j 不同加载条件下样品的相图,k、l、m 不同加载条件下样品变形区域的极图。

Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金超声加载变形区域的TEM观测也发现了FCC相的亚晶,以及高密度位错和宽度约为120 nm的剪切带,如图3所示,说明FCC相产生了较大的塑性变形,而较为硬脆的IMCs相则出现了微裂纹,并产生显著细化。对变形区域的晶粒取向分布进行分析发现,高频超声加载使多组分合金的晶粒内部发生了多轴、大角度的转动,显著改变了局部区域晶粒的优先取向,有助于容纳变形过程的位错胞,并有利于晶粒细化、形成亚晶,而常规加载下晶粒内部的欧拉取向角没有发生显著变化;高频动态加载下变形区域的几何必要位错密度(9.39×1013 m-2)大于常规加载(6.17×1013 m-2),但是超声加载的应力均化效应使位错发生扩散并分布更加均匀,从而减少了位错塞积,有利于提升塑性极限,相比之下常规加载产生的位错主要集中分布于晶界区域,更易萌生裂纹。

图3 不同加载模式下的微观组织结构演变:a 超声加载变形区域的透射电镜(TEM)图,b、c 常规加载(CC)和超声加载(UC)模式下的晶体转动和晶粒取向,d、e不同加载模式下变形区域的局部取向差分布及对应的几何必要位错(GND)密度。

高频动态加载下,反射应力波的释放对位错塞积产生松弛效应,促进位错扩散,抑制位错在局部区域的缠结和塞积,因此,多次加载循环后,变形区域的位错密度高、分布均匀,可有效减少裂纹萌生,提升加载变形的塑性极限。同时,动态加载优先激活向低阻力方向滑移的位错,并在变形区域产生更多可动位错,这种扩散效应也有利于伯氏矢量相反位错的湮灭,使合金在变形过程中加工硬化行为显著减少。此外,硬脆的IMCs相在高瞬时应变率下更易发生显著细化,可消除FCC晶粒之间的粗大硬脆相,有利于多晶粒的协调变形。高频动态加载下合金多滑移系的开启和晶粒的大角度多向转动,也有利于容纳塞积的位错,减少应力集中,并可显著弱化变形织构。

图4 不同加载模式下的微观组织结构演变和变形机制示意图

基于以上独特的宏观变形特性和微观组织演化机理,采用高频动态加载模式,对Al80Li5Mg5Zn5Cu5多组元合金进行了三维六边形结构(直径2 mm)和二维沟槽(深度80 μm)的模压成形实验,如图5所示,模具的复制比率达到90%以上,最大加载应力为98 MPa,小于合金压缩强度的1/6,且结构成形在1 s之内完成,实现了多组分熵合金的快速、低应力塑性成形。

图5 Al80Li5Mg5Zn5Cu5合金的高频动态加载结构成形

该研究得到了广东省基础与应用研究重大项目(2019B030302010)、国家自然科学基金(51871157)、深圳市科学技术创新委员会(JCYJ201704121111216258)、国家重点研发计划项目(2018YFA0703605),广东省自然科学基金(2020A1515110390)等资助。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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