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?重磅！上海大學發表《Science》：共晶魚骨高熵合金及其多級裂紋緩沖效應

2021-08-20 10:43:42 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

今日，上海大學鐘云波教授團隊聯合北京科技大學王沿東教授團隊合作，在“共晶魚骨高熵合金的開發設計及其輔助的多級裂紋緩沖效應”方面取得重大進展，以Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys為題，在國際頂級期刊《Science》上在線發表。其中上海大學為第一署名單位，上海大學鐘云波教授、德國馬克斯-普朗克研究所Dierk Rabbe教授和北京科技大學的王沿東教授為共同通訊作者。

https://doi.org/10.1126/science.abf6986

如果載荷不能被彈塑性變形充分耗散掉，材料中就會出現裂紋。一些多級結構的復合材料，如高韌性的骨頭，具有優良的裂紋容忍能力，但它們通常不能承受大的延展變形，因為沒有足夠的常規晶格缺陷來承受拉伸變形。在人造延展性材料中，廣泛的裂紋往往會引發過早的斷裂失效。這些裂紋通常是由于局部組織嚴重塑性變形引起的，因而它們的擴展不能被及時有效地緩沖和阻止住。這種情況的存在是因為局部變形的微觀組織通常沒有足夠可持續的應變硬化能力，而應變硬化能力可以消除裂紋擴展尖端的局部高應力。因此，即使一些延展性好的金屬復合材料表現出裂紋容忍能力，通常也只有有限的額外拉伸塑性被獲得。總的來說，在人造材料中，裂紋容忍能力輔助獲得的總延伸率通常并不像我們預期的那樣高。

此外，工程部件的斷裂失效，如大橋鋼結構的斷裂、建筑物鋼結構的坍塌、雪災中電力支架的崩塌等，絕大部分均起源于所用結構材料中微裂紋的產生和不可控的擴展，因此在材料中寬容微觀裂紋的產生和生長是違反傳統安全理念的。因為材料中出現的微裂紋，在應力作用下會快速擴展成宏觀裂紋，最終觸發工程部件的過早失效，給人的生命和財產安全帶來巨大危害。

研究表明，在共晶高熵合金（EHEAs）中，廣泛的裂紋生成與高均勻延伸率之間的沖突是可以被解決的。EHEAs是近年來發展起來的新型多主元層狀復合材料。本文展示了一種定向凝固的共晶高熵合金（EHEA），它成功地協調了裂紋容限和高伸長率之間的互不相容矛盾。研究團隊采用獨特的凝固組織控制手段，將此共晶高熵合金材料中均勻的共晶組織設計凝固成類似魚骨的多級共晶層片結構。在拉伸加載時，硬相B2層片中不但形成常規位錯，還將萌生高密度的微裂紋，緩解材料變形時的應力集中。但有趣的是：該微裂紋僅在B2相中大量萌生和沿拉伸加載方向拉長，一旦遇到軟性相L12界面時便不再擴展，裂紋前端被鈍化為近圓形；而在軟性相L12層片中動態形成的高密度多組態位錯和微帶，誘導了不斷增強的加工硬化，因而表現出超優的塑性變形能力。在這種相間協同變形作用下，B2相中大量萌生的微裂紋不僅不會惡化共晶高熵合金性能反而可以做為一種有效的應變補償者去改善材料塑性。這一突破源于仿生激發的多級裂紋緩沖效應，其允許多重微裂紋的廣泛成核，但在隨后的巨大應變范圍內顯著抑制了它們的災難性生長和破壞。結果，在不犧牲強度的情況下，這種共晶魚骨材料獲得了超高的斷裂韌性，特別是其延伸率達到了前所未有的50%，是傳統鑄態共晶材料的3倍。

圖1 常規鑄造方法制備的共晶高熵合金，晶粒間展現出隨機自由排列的雙相層片結構。（A） SEM背散射電子圖像。（B）電子背散射衍射（EBSD相圖（左）和反極圖（IPF）圖（右）。（C）結構示意圖。

圖2 定向凝固的共晶高熵合金，展現出新型的仿生魚骨狀多級共晶結構。圖（D）和（E）中的黑色箭頭為DS（定向凝固）方向，也是圖2A中拉伸加載方向。（D） SEM背散射電子圖像顯示和（E）放大EBSD相圖和IPF圖展示出定向生長的多級共晶魚骨結構。（F和I）多級共晶魚骨結構示意圖及其在定向凝固時的形成原理。（G） B2、Ll2相的HAADF-STEM圖像及相關SAED圖。（H） SHE-XRD圖譜。

圖3室溫下的拉伸力學性能。（A）與常規鑄造的EHEA相比，定向凝固的多級魚骨型EHEA的工程應力-應變曲線顯示均勻延伸率的大幅提高，但強度沒有任何降低犧牲。插圖呈現的兩種結構的共晶高熵合金的應變-硬化曲線，揭示了定向生長的多級共晶魚骨結構具有持續且有效的應變硬化能力MDIH和MBIH分別表示多重平面滑移位錯誘導硬化和微帶誘導硬化。（B）與已報道的鑄態的共晶和近共晶高熵合金（14, 15, 19, 20, 22, 23, 28-33）相比，這種定向生長的魚骨型EHEAs展現出異常優異的強度與塑性結合。

圖4 （A-D） SEM背散射電子圖像揭示了隨著拉伸變形的進行，發生了從軟的BEC區域到硬的AEC區域順序激活的變形行為。（E-H） SEM背散射電子圖像展示了隨著變形的進行，觀察到了動態的微裂紋演變和優異的多級裂紋緩沖現象，因而誘導了異常穩定的高密度微裂紋，而非災難性的過早斷裂失效。（J）微裂紋長度、微裂紋密度和補償應變在AEC區域中的演化。I - III階段對應的拉伸應變分別為25 - 30%、30 - 40%和40 - 50%。共晶魚骨高熵材料的整體延伸率為~50%，而微裂紋在應變25~30%就已經大量萌生，但卻沒有造成斷裂失效。（K）多級裂紋緩沖原理圖（詳細微觀機制見圖5）。

圖4所示。L12片層加載承擔響應的微觀結構和微觀力學研究。（A-F）隨著塑性變形的進行，在L12層片內部觀察到一種動態的多級微結構細化——平滑滑移位錯、滑移帶、滑移帶的細化、位錯交滑移和微帶。這種多級的微結構細化誘導了可持續的應變硬化能力，激發了顯著的對裂紋的緩沖捕捉能力，因而防止了裂紋的不可控生長致使的過早失效斷裂。（G和H）原位的高能同步輻射研究定量的揭示了由于動態的微結構細化，L12層片展現出不斷增加的應力承載能力，而由于微裂紋的不斷增加，B2層片的加載承擔能力在應變25%后不斷降低。

總之，該工作提供了一種仿生的多級微觀結構設計方法，并在定向凝固的塊狀EHEA中得到驗證。裂紋容限可以維持在巨大~25%的拉伸應變范圍內而不發生斷裂失效，結果使材料的延展性在不犧牲強度的情況下提高了3倍。這種多級結構的構筑方法和理念對于指導更廣泛的共晶型鑄態HEAs/傳統合金的發展以及性能改善具有顯著的實際意義。

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