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三校聯(lián)合發(fā)表《Science》子刊：重大發(fā)現(xiàn)！高熵合金極限變形的非晶化！

2021-02-01 13:35:51 作者：本網(wǎng)整理來源：材料學(xué)網(wǎng)微信公眾號分享至：

導(dǎo)讀：未來日益嚴(yán)酷的使用條件將需要不斷提高材料的變形能力，而不會(huì)造成材料持續(xù)損傷，同時(shí)又保持其高強(qiáng)度。本文通過對等原子CrMnFeCoNi高熵合金進(jìn)行模壓，隨后進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮或剪切動(dòng)態(tài)變形，作者觀察到由層錯(cuò)、孿晶、由面心立方向密排六方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的致密結(jié)構(gòu)，尤其是非晶化。層錯(cuò)和孿晶沿{111}平面的協(xié)調(diào)傳播產(chǎn)生高變形區(qū)，這些高變形區(qū)可重組為六邊形包；當(dāng)這些區(qū)域的缺陷密度達(dá)到臨界水平時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生非晶材料島。這些區(qū)域具有出色的機(jī)械性能，可提供額外的強(qiáng)化和增韌機(jī)制，以提高這些合金承受極端載荷的能力。

金屬具有永久變形的能力，這種特性被稱為延展性，可以被塑成管子或其他復(fù)雜形狀而不會(huì)斷裂。這種特性對金屬及其合金的使用具有深遠(yuǎn)的影響，因?yàn)樗鼈兛梢孕纬啥喾N形狀，在操作過程中，通過對其尖端進(jìn)行塑性變形，從而使其鈍化，從而防止裂紋的形成和擴(kuò)展。金屬表現(xiàn)出這種特性的機(jī)制已經(jīng)被研究了100年，并且存在一種發(fā)展良好的塑性理論，其基礎(chǔ)是三種主要機(jī)制：位錯(cuò)、孿晶和相變。在非常罕見的情況下，第四種機(jī)制也能起作用，即通過非晶化破壞晶體結(jié)構(gòu)的機(jī)制。

HEA由Cantor等人獨(dú)立開發(fā)。2004年；這些合金中的某些合金，尤其是主要以面心立方（fcc）的CrCoNi基HEA被證明具有出色的強(qiáng)度和延展性，從而導(dǎo)致很高的斷裂韌性，即具有抗斷裂的能力……

基于CrCoNi的HEA表現(xiàn)出位錯(cuò)介導(dǎo)的可塑性，孿生誘導(dǎo)的可塑性以及在特定合金中的相變誘導(dǎo)的可塑性（TRIP）的多種變形途徑。TRIP效應(yīng)，它涉及到一個(gè)FCC到密排六方（hcp）相變，已在三元件CrCoNi合金報(bào)道，和非等原子HEA與由于它們的堆垛層錯(cuò)能量明顯較低；然而，迄今為止，在經(jīng)典等原子CrMnFeCoNi Cantor HEA中尚無明顯證據(jù)表明這種由變形引起的（在環(huán)境壓力下）相變。

基于此，美國加利福尼亞大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和英國牛津大學(xué)研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)在很高的應(yīng)變速率載荷下，在Cantor合金中可以觀察到TRIP效應(yīng)。表明在高應(yīng)變和/或高應(yīng)變速率下，會(huì)出現(xiàn)一種額外的但罕見的變形機(jī)制，即固態(tài)非晶化，這似乎是極端載荷條件下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的特征。相關(guān)研究成果以題“Amorphization in extreme deformation of the CrMnFeCoNi high-entropy alloy”發(fā)表在國際頂級材料期刊Science advances上。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabb3108

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作者首先對材料CrMnFeCoNi Cantor合金進(jìn)行預(yù)處理，以將高位錯(cuò)密度引入退火后的晶粒中。圖1A中的電子背散射衍射（EBSD）圖顯示了型鍛后觀察到的結(jié)構(gòu)，該合金經(jīng)受了0.8的標(biāo)稱應(yīng)變。變形的晶粒清晰可見，并且晶粒內(nèi)的帶狀特征為滑移帶。透射電子顯微鏡（TEM）（圖1B）證實(shí)產(chǎn)生了高密度的位錯(cuò)。這種高水平的塑性變形及其相關(guān)的高密度缺陷在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下都引入了實(shí)質(zhì)性的強(qiáng)化。

準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線和動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線均表明該合金的強(qiáng)度在1 ~ 2 GPa之間。然而，這并不明顯損害延性，因?yàn)樵跍?zhǔn)靜態(tài)變形下，合金繼續(xù)表現(xiàn)出0.8的應(yīng)變，最終的總應(yīng)變?yōu)?.95。這種雙重強(qiáng)度和延展性的響應(yīng)保證了即使在極端的負(fù)載條件下也具有高韌性。

圖1 變形后的CrMnFeCoNi HEA的初始微觀結(jié)構(gòu)，機(jī)械響應(yīng)和示意性樣品幾何形狀。

（A）初始微觀結(jié)構(gòu)的EBSD圖（具有反極圖），顯示了晶粒大小為？100μm的變形晶粒。（B）變形樣品的TEM顯微照片，顯示出高密度的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。請注意，在EBSD和TEM表征中，只能觀察到很少的變形孿晶。這可能歸因于型鍛過程的獨(dú)特應(yīng)變路徑，該路徑不利于激活孿生的應(yīng)力積累。（C）機(jī)械響應(yīng)，（D和E）分別為圓柱形和帽形樣品的示意圖。

圖2 受到準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的鍛造CrMnFeCoNi HEA的變形微觀結(jié)構(gòu)。

（一）TEM明場圖像顯示出大量的平面變形特征。（B）高變形區(qū)域的高分辨率TEM顯微照片，具有變形孿生，hcp相和非晶區(qū)域三個(gè)獨(dú)特區(qū)域。相應(yīng)的晶格圖像分別在（C到E）中給出。（D）中的hcp區(qū)域經(jīng)過傅里葉變換-濾波以最大程度地提高相位對比度。

圖3 受到動(dòng)態(tài)壓縮/剪切作用的CrMnFeCoNi HEA的變形微觀結(jié)構(gòu)。

（A）宏觀絕熱剪切帶附近的孿晶，堆垛層錯(cuò)，hcp相和非晶帶的明場圖像，如圖1E所示。（B）選定區(qū)域的電子衍射圖顯示了fcc基體，孿生點(diǎn)和hcp衍射的存在。（C）高分辨率TEM圖像顯示了納米級孿晶和堆垛層錯(cuò)（SF）的共存。（D）hcp和fcc相之間的界面的傅立葉濾波晶格圖像。（E）非晶帶[（A）中的紅色方塊]和相應(yīng)的快速傅里葉變換衍射儀的高分辨率TEM圖像。

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圖4 等變形CrCoNi基HEA經(jīng)受變形程度增加的分層變形機(jī)制范例。

彈性變形，位錯(cuò)介導(dǎo)的可塑性，孿生誘導(dǎo)的可塑性，TRIP，最后是固態(tài)非晶化。觸發(fā)下一個(gè)機(jī)制需要生成其他缺陷，即位錯(cuò)和/或點(diǎn)缺陷（空位）。這些多種機(jī)制可以相互作用，從而導(dǎo)致強(qiáng)化過程的協(xié)同作用以及由此產(chǎn)生的高度復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)。

綜上所述，作者提出非晶化實(shí)際上是在HEA中表現(xiàn)出來的另一種變形機(jī)制，除了位錯(cuò)介導(dǎo)的可塑性，機(jī)械孿晶和馬氏體fcc→hcp相變之外，它還提供了各種途徑來耗散傳遞的應(yīng)變能。HEA中變形機(jī)制的多功能性和協(xié)同作用使它們成為極端承重應(yīng)用（如沖擊穿透，保護(hù)和極端低溫環(huán)境）的可行候選者。與大多數(shù)商業(yè)結(jié)構(gòu)材料相比，預(yù)變形的等原子CrMnFeCoNi HEA具有更高的吸收沖擊應(yīng)變能。通過調(diào)整成分（進(jìn)一步降低堆垛層錯(cuò)能量）和熱處理（引入更高密度的缺陷），我們相信將有可能最大限度地發(fā)揮這些有益作用，從而創(chuàng)造出專門用于極端負(fù)載環(huán)境用途的新型優(yōu)質(zhì)金屬合金

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