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西北工大《JMST》：極限抗拉高達(dá)1524MPa，延伸率23%！超強(qiáng)韌梯度納米晶(GNG)結(jié)構(gòu)中熵合金！

2022-01-17 15:27:21 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：本文采用高能噴丸強(qiáng)化技術(shù)，成功地在CrCoNi中熵合金（MEA）中引入了梯度納米晶（GNG）結(jié)構(gòu)，即晶粒尺寸從表層的納米級(jí)（~ 50 nm）到中間層的微米級(jí)（~ 1.3 μm）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種 GNG CrCoNi MEA 顯示出優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性組合性能，分別具有約 1215 MPa 和約 1524 MPa 的高屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度，同時(shí)保持約 23.0% 的良好延展性。超異質(zhì)變形誘導(dǎo) （HDI）硬化是由異質(zhì)結(jié)構(gòu)（即GNG 結(jié)構(gòu)）引起的，GNG結(jié)構(gòu)有助于強(qiáng)度的增強(qiáng)。拉伸過(guò)程中動(dòng)態(tài)增強(qiáng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致 HDI 硬化效果增強(qiáng)，在高強(qiáng)度下具有出色的延展性和應(yīng)變硬化能力。

作為潛在的結(jié)構(gòu)材料，面心立方（FCC）型高/中熵合金（HEAs/MEAs）越來(lái)越受到關(guān)注，它們具有許多有前途的功能特性，例如優(yōu)異的損傷容限、高耐磨性和耐腐蝕性、良好的抗輻照性，以及非凡的低溫性能，這使它們成為工程應(yīng)用的有力候選者。然而，這些 FCC HEA/MEAs在室溫下表現(xiàn)出相對(duì)較低的屈服強(qiáng)度，與其優(yōu)異的延展性相比，明顯的強(qiáng)度-延展性兩難權(quán)衡，為它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的障礙。因此，F(xiàn)CC 型 HEA/MEA 非常需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，以獲得高強(qiáng)度和良好延展性的優(yōu)異組合。

傳統(tǒng)的晶界硬化和沉淀硬化可能會(huì)在 HEA/MEA 中產(chǎn)生有希望的強(qiáng)化效果，但伴隨著強(qiáng)度的提高通過(guò)高延展性犧牲。最近的研究表明，在金屬和合金中調(diào)整異質(zhì)性可以有效地產(chǎn)生異質(zhì)變形誘導(dǎo) （HDI）硬化，從而產(chǎn)生優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性協(xié)同性能。吳等人。報(bào)道了通過(guò)冷軋（CR）和部分再結(jié)晶退火工藝制備的三級(jí)異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu) CrCoNi MEA，其晶粒尺寸跨越納米至微米范圍，其屈服強(qiáng)度高于 1 GPa，同時(shí)保持優(yōu)異的均勻著色約 22%。受上述策略的啟發(fā)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，即導(dǎo)致 HDI 硬化，應(yīng)該是獲得 FCC 型 HEA/MEA 的強(qiáng)度和延展性組合特性的有趣且有效的方法。

對(duì)此，西北工業(yè)大學(xué)凝固加工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室羅賢教授團(tuán)隊(duì)選擇 FCC 型 CrCoNi MEA 作為 HDI 硬化的基材，因?yàn)樗哂懈呒庸び不院蛢?yōu)異的延展性。通過(guò)高能噴丸（HESP）在 CG CrCoNi MEA 中成功構(gòu)建了 GNG 結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)建 GNG 結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性協(xié)同性能。該工作不僅將證明構(gòu)建 GNG 結(jié)構(gòu)應(yīng)該是解決 FCC MEAs/HEA 中強(qiáng)度和延展性權(quán)衡問(wèn)題的一種可行且有效的方法，而且為異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的 HDI 硬化提供有用的見(jiàn)解。相關(guān)研究成果發(fā)表在材料學(xué)頂刊JMST（Journal of Materials Science and Technology）上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.09.058

圖1：CG CrCoNi MEA的EBSD研究，（a）IPF圖像，

（b）晶粒尺寸分布和（c）晶界取向差

圖2：通過(guò)HESP處理的CG CrCoNi樣品的微觀結(jié)構(gòu)研究，

（a）-（c）最頂部表面的代表性橫截面TEM BF圖像，（d）？（f）分別為100μm深層和中心層，（a）NG結(jié)構(gòu)，插圖為相應(yīng)的SADP，（b）孿晶UFG結(jié)構(gòu)，紅色箭頭表示孿晶結(jié)構(gòu)，（c）變形CG結(jié)構(gòu)，黃色箭頭表示高密度位錯(cuò)，（d）和（e）HESP處理的平板拉伸樣品示意圖，顯示兩個(gè)GNG層夾一個(gè)變形CG芯，（f）從中心到表面層的平均粒度分布。

圖2顯示了HESP處理后CG CrCoNi MEA樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

圖 3顯示了 CG 和 GNG CrCoNi MEA 樣品的機(jī)械性能。圖 3 （a）展示了兩個(gè)樣品從中心到表面的硬度分布。很明顯，CG 樣品在整個(gè)板厚上具有均勻的硬度分布，平均顯微硬度約為 322 HV。GNG樣品的硬度呈現(xiàn)明顯的梯度分布，最上層表層達(dá)到~450 HV，中心層逐漸降低至~322 HV。圖3（b）顯示了典型的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。平均晶粒尺寸為~1.3μm的CG MEA（見(jiàn)圖1）的屈服強(qiáng)度（0.2% offset, YS）約為 750 MPa，極限抗拉強(qiáng)度（UTS）約為 1096 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率（FE）仍約為 41.2%，而由 HESP 處理的 GNG 樣品表現(xiàn)出優(yōu)越的強(qiáng)度和延展性組合，YS和UTS分別達(dá)到~1215 MPa和~1524 MPa，同時(shí)FE保持在~23.0%的顯著值。可以得出結(jié)論，該 GNG CrCoNi MEA 在高強(qiáng)度下表現(xiàn)出強(qiáng)大的加工硬化能力。

圖3：CG和GNG CrCoNi MEA樣品的機(jī)械性能：（a）表面到中心的硬度分布，

（b）典型的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及（c）加工硬化率曲線，

并給出了UFG CrCoNi MEA樣品的性能以供比較。

圖4：當(dāng)前GNG CrCoNi MEA與以往關(guān)于CrCoNi和基于不同強(qiáng)化方法的CrCoNi MEA的文獻(xiàn)的比較結(jié)果

圖5：（a） CG和GNG CrCoNi MEA樣品的LUR拉伸試驗(yàn)結(jié)果，

（b）用于比較遲滯回線的放大圖，以及（c）GNG CrCoNi MEA樣品的計(jì)算HDI硬化，

其中σr和σu是LUR回線的重新加載屈服應(yīng)力和卸載屈服應(yīng)力

圖6：通過(guò)TEM調(diào)查，在頂部表面拉伸測(cè)試GNG樣品的代表性變形特征，

（a）最頂層的變形NG，（b）顯示變形誘導(dǎo)NTs和延伸SFs的HRTEM圖像，

（c）最頂層的變形孿晶UFG?100μm深層，（d）HRTEM圖像，顯示不同DTs和SFs結(jié)構(gòu)的放大圖，（e）中心層的變形CG，插圖SADP表示DTs結(jié)構(gòu)，（d）HRTEM圖像，顯示熱孿晶演變?yōu)榉窍喔蒆AGB，插圖是相應(yīng)的FFT。

圖7：GNG樣品中隨外加應(yīng)力增加的微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖，在拉伸過(guò)程中表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)增強(qiáng)的異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)，（a）原始GNG結(jié)構(gòu)：（b）非均勻變形導(dǎo)致CG結(jié)構(gòu)中的HDI應(yīng)力，和（c）由于DTs和/或SFs分離顆粒而形成更不均勻的結(jié)構(gòu)。

在這項(xiàng)研究中，通過(guò)HESP處理將GNG結(jié)構(gòu)引入FCC型CrCoNi MEA。GNG CrCoNi MEA顯示出優(yōu)越的強(qiáng)度和延展性協(xié)同性能，表現(xiàn)出高強(qiáng)度的YS和UTS，分別為？1215MPa和？1524 MPa，保持良好的延展性？23.0%. 這種GNG結(jié)構(gòu)中不均勻變形導(dǎo)致的HDI硬化帶來(lái)了了大部分非凡的屈服強(qiáng)度。大量DTs和/或SFs動(dòng)態(tài)增強(qiáng)的非均質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)促進(jìn)了HDI硬化效果的增強(qiáng)，這有助于在高強(qiáng)度下保持良好的延展性和應(yīng)變硬化。這些工作證明，構(gòu)建GNG結(jié)構(gòu)應(yīng)該是解決FCC MEAs/HEAs和其他低SFE材料的強(qiáng)度和延性折衷問(wèn)題的一種可行和有效的方法，并且為理解異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的HDI硬化提供了有用的見(jiàn)解。

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