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重磅！浙大&北科大等《MT》IF=26.416：局部化學波動誘導高熵合金延展性大幅提高！

2021-04-15 10:59:27 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：高熵合金（HEAs）為發現未被探索的力學性能和變形機制開辟了新的視野。局部化學波動（LCFs）在HEAs中被發現對其機械性能有顯著的影響，但其根本原因尚不清楚。本文利用原位透射電子顯微鏡直接動態觀察了在加載下，在延性體心立方（BCC） HfNbTiZr HEA中LCFs和位錯之間的相互作用。由于位錯相互作用的強烈促進，LCFs誘導的位錯釘扎不僅有助于強度的增加，而且有助于延展性的增加。該研究結果不僅有助于對高溫合金的變形機理的理解，而且為延性高溫合金的設計提供了新的視角。

高熵合金（HEAs）是一類多主元等摩爾或近等摩爾比的固溶體，因其獨特的結構特征和力學性能而受到人們的廣泛關注。特別是，由于它們的熵貢獻，HEAs可以在高溫下保持穩定。例如，動態重結晶誘導的BCC Al1.2CrFeCoNi HEA具有較強的耐高溫軟化性能，這表明HEAs，特別是BCC HEAs，可以用于高溫應用。然而，由于非密排的 BCC 結構和嚴重扭曲的晶格，BCC HEA 中的脫位運動需要克服高晶格阻力和雙扭結的高激活屏障，導致較低的室溫延展性，從而阻礙了BCC HEA的廣泛使用。

此外，局部化學波動（LCFs）被認為是HEAs的一個共同特征，并被認為影響位錯增殖和運動。這類LCFs引起了局部廣義層錯能和晶格電阻的變化，而這些變化與塑性變形行為有關。最近有報道稱，通過調節LCFs，HEAs的強度和延性同時得到了提高。在這些HEAs中避免強度-塑性折衷的根本原因歸因于主動位錯操作行為和增強的LCFs誘導的廣泛應變硬化。然而，沒有直接的證據，特別是LCFs與形變載體（如位錯）之間相互作用機制的動態觀測。也就是說，深入了解LCFs對位錯形核和操作的影響，對于啟發延性BCC HEA合金設計新思路具有重要意義。

在此，浙江大學王宏濤教授團隊和北科大呂昭平教授團隊等人以等摩爾BCC型HfNbTiZr合金為研究對象，研究了位錯形核和雙交叉滑移機制。在透射電鏡內進行了一系列原位應變測試，以可視化位錯和LCFs之間的相互作用。通過TEM原位拉伸實驗，研究了LCFs引起的頻繁位錯釘扎、局部雙交叉滑移和位錯倍增現象。結果表明，由LCFs引起的位錯釘扎頻繁發生，并由此產生的局部雙交叉滑移使位錯分布在不同的原子平面上，從而使HfNbTiZr BCC HEA具有較高的延展性。相關研究成果以題“Local chemical fluctuation mediated ductility in body-centered-cubic high-entropy alloys”發表在 Materialia today上。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121000845

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塊狀HINbTiZr HEA試樣延展性可達13.1%，斷裂強度為865 MPa，BCC HEA的良好延展性是屈服后的強應變硬化造成的，BCC HNbTiZr不包含二次相，其變形不涉及任何相變。眾所周知，LCFs對HEAs的強度和延性有顯著的影響。在這里，我們使用HAADF-STEM和APT來可視化HINbTiZr HEA中的LCFs。圖la顯示了鑄態HINbTiZr HEA的HAADF-STEM圖像，并注意到其對比度是不均勻的。圖1bl -b2分別為圖1a中藍色和紅色正方形區域對應的強度線剖面圖。一些原子柱的強度急劇上升。

圖1 HfNbTiZr HEA中的局部化學波動。（a）鑄態HfNbTiZr HEA的高分辨率高角度環形暗場（HAADF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像。（b1-2） a中藍色和紅色正方形區域的強度線輪廓，由數字顯微軟件的標準工具獲得。原子探針層析成像三維重建的鑄態HfNbTiZr HEA樣品，其等成分表面的閾值為30 at% Hf （c）和26 at% Ti （d），突出了HfNbTiZr HEA中富Hf和富Ti團簇。富hf （e1）和富ti （e2）團簇的組成表面元素濃度分布。

圖S2。大塊HENbTiZr高熵合金的典型拉伸真應力-應變曲線？（HEA）。

圖2 位錯釘扎。（a）位錯的初始構型1。（b）第115秒時因梗阻脫位。（c） 540秒時釘住位錯的臨界斷裂形態。（d）位錯1在第550秒脫出，留下一個小的位錯環。

圖3 釘扎誘導滑移。（a和b）位錯2被障礙物固定，留下一個標記為L1和L2的小位錯環。（c） L1和L2展開。（d） L3與位錯2在同一滑移面上形成并擴張。

圖4 LCF誘導釘扎。（a）一個固定位錯的低放大亮度場（BF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像。（b）（a）中正方形區域對應的高分辨率HAADF-STEM圖像。（c）（b）中藍色正方形區域的強度線剖面圖，插圖為相應放大的HAADF-STEM圖像。（d）（b）的幾何相分析（GPA）顯示了釘扎點周圍的應變波動

圖5 局部雙交叉滑移引起的平面滑移的空間分布和伴隨的釘扎引起的位錯滑移。（a）位錯運動所留下的波狀滑移軌跡（黃色虛線所勾勒）。（b）位錯3和位錯4的滑移軌跡重合。（c）位錯4的滑移軌跡偏離位錯3的滑移軌跡。（d）偏離滑移軌跡的放大圖像，顯示兩個原子平面的平面滑移由交叉滑移面連接。（e1-5）在HfNbTiZr BCC HEA中，由交叉滑移輔助的釘扎作用增強了位錯的增殖，使平面滑移和位錯增殖事件在空間上分布。

綜上所述，本文采用原位TEM應變來研究延展BCC HfNbTiZr HEA的變形行為。研究結果明確表明，LCF 在此 BCC HEA 中誘導錯位固定、滑移和交叉滑動。LCF 引起的固定不僅增加了脫位運動屏障，還刺激了錯位增殖。局部雙交叉滑移使錯位滑移發生于各種平面上，有效緩解了局部應變。 APT和 STEM 證明的 LCF是這種主動脫位行為和這種特定 BCC HEA 的體面延展性的起源。暴露的變形機制可能為延展性BCC耐火材料 HE 的設計和優化開辟一條新途徑

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