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上海大學首篇《Science》誕生！高熵合金領域取得重大進展

2021-08-20 11:28:15 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

日前，上海大學鐘云波教授團隊聯(lián)合北京科技大學王沿東團隊在“共晶魚骨高熵合金的多級裂紋緩沖效應及其輔助的超高塑韌性”方面取得重大進展，以Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys為題，在國際頂尖期刊《Science》上在線發(fā)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D. Rabbe教授和北京科技大學的王沿東教授為共同通訊作者。

論文鏈接：

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

在人造延展性材料中寬容裂紋是違反直覺的，因為這些廣泛的微觀破壞經(jīng)常會觸發(fā)材料的過早失效，因而伴隨著令人失望的低拉伸塑性。在本研究中，一種新型的共晶高熵合金材料中打破了這一趨勢，研究發(fā)現(xiàn)：當這種材料被可控的凝固成類似魚骨的多級共晶結構時，高密度裂紋不僅不會惡化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(fā)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(tǒng)鑄態(tài)共晶材料的3倍。

圖1 （A-C）傳統(tǒng)鑄態(tài)的共晶高熵合金展現(xiàn)出典型的雙相（B2/L12）共晶層片結構，瞬態(tài)凝固時通過共晶轉變獲得，其相鄰晶粒間的層片生長方向明顯不同。（D-I）定向凝固的共晶魚骨高熵合金展現(xiàn)出沿定向凝固（箭頭）方向定向生長的柱狀晶結構。

在這些柱狀晶中，他們觀察到組織形貌明顯不同的兩種共晶團（eutectic colony）：晶粒中間的是沿定向凝固方向生長的B2/L12共晶層片（alignedeutectic colony，AEC），邊緣是與定向凝固方向呈30°~60°夾角的分支B2/L12共晶層片（branched eutecticcolony，BEC）。基于這些特征，這種定向凝固的EHEA呈現(xiàn)出一種新型的多級組裝的仿生魚骨結構。他們發(fā)現(xiàn)這種仿生魚骨結構是由胞狀固-液界面沿定向凝固方向定向生長形成的，凝固時兩種共晶團（AEC & BEC）中的層片均垂直于胞狀界面生長。

圖2 室溫拉伸曲線

室溫拉伸曲線顯示定向凝固的多級魚骨結構實現(xiàn)了顯著改善的拉伸塑性，相應的均勻延伸率從傳統(tǒng)共晶高熵合金的~16%增加到了目前的~50%。沒有犧牲強度，反而是相比傳統(tǒng)鑄態(tài)試樣屈服強度提高了150 MPa。雖然定向凝固的魚骨高熵合金含有大量的高硬度、低延展性的B2相（~41 vol%），但卻擁有50%的超高均勻延伸率。這樣高的延伸率可媲美于廣泛研究的、高延展性的、完全均勻化的面心立方高熵材料。因此，通過定向凝固制備的多級魚骨結構所實現(xiàn)的強塑性匹配（尤其是均勻延性）顯著優(yōu)于任何其它鑄態(tài)共晶和近共晶高熵合金材料。

圖3 變形和斷裂機制分析

通過對兩種材料的變形和斷裂機制的詳細表征，他們發(fā)現(xiàn)：定向凝固材料拉伸塑性的顯著提高歸因于其多級的魚骨結構和這種結構誘導的強裂紋緩沖效應。定向凝固的魚骨結構可以誘發(fā)低塑性B2層片中多重微裂紋穩(wěn)定的、持續(xù)的、晶體學性的形核和生長。然后，相鄰高韌性L12層片的動態(tài)應變硬化行為可以貢獻顯著的裂紋緩沖能力，這有效避免了裂紋的災難性生長和破壞。因此，高密度裂紋不僅不會惡化性能反而可以做為一種有效的應變補償體去彌補B2層片低的拉伸塑性，促使試樣整體具有超高的延伸率。

圖4 L12層片中動態(tài)的微結構細化（A-F），原位的高能同步輻射試驗（G和H）

L12層片中動態(tài)的微結構細化（A-F）可以誘導強的應變硬化能力，因而致使其具有超優(yōu)的裂紋鈍化和緩沖能力，防止裂紋造成的材料過早失效。此外，結合原位的高能同步輻射試驗（G和H），他們發(fā)現(xiàn)L12層片強的動態(tài)應變硬化行為可以貢獻高的載荷承擔能力，這有效抵消了B2層片中微裂紋引起的潛在軟化效應，即拉伸曲線中常見的由微裂紋引起的應力下降事件。

總的來說，本文提出并設計了一種多級的仿生魚骨共晶結構，該結構兼顧了高的裂紋寬容能力和高的均勻延伸率；通過構筑多級的魚骨共晶結構，使材料具有超優(yōu)的塑性——不是通過避免裂紋而是通過引導和緩沖裂紋實現(xiàn)；這種微結構設計方法也可以在其它由軟硬相組成的塊體材料中實現(xiàn)，對于指導更廣泛的共晶型高熵/傳統(tǒng)合金的性能改善具有顯著的實際意義。

值得一提的是，截止目前，上海大學鐘云波團隊在高熵合金領域已發(fā)表了多項頂刊研究成果，例如：

Enhanced strength–ductility synergy in ultrafine grained eutectic high-entropy alloys by inheriting microstructural lamellae （Nature Communications，doi.org/10.1038/s41467-019-08460-2）

Multistage work hardening assisted by multi-type twinning in ultrafine-grained heterostructural eutectic high-entropy alloys （Materials Today, doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.029）

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