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西北工大《JMST》：極限抗拉高達1524MPa，延伸率23%！超強韌梯度納米晶(GNG)結構中熵合金！

2022-02-07 17:21:39 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：本文采用高能噴丸強化技術，成功地在CrCoNi中熵合金（MEA）中引入了梯度納米晶（GNG）結構，即晶粒尺寸從表層的納米級（~ 50 nm）到中間層的微米級（~ 1.3 μm）。實驗結果表明，這種 GNG CrCoNi MEA 顯示出優異的強度和延展性組合性能，分別具有約 1215 MPa 和約 1524 MPa 的高屈服強度和極限抗拉強度，同時保持約 23.0% 的良好延展性。超異質變形誘導（HDI）硬化是由異質結構（即GNG 結構）引起的，GNG結構有助于強度的增強。拉伸過程中動態增強的異質結構導致 HDI 硬化效果增強，在高強度下具有出色的延展性和應變硬化能力。

作為潛在的結構材料，面心立方（FCC）型高/中熵合金（HEAs/MEAs）越來越受到關注，它們具有許多有前途的功能特性，例如優異的損傷容限、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用的有力候選者。然而，這些 FCC HEA/MEAs在室溫下表現出相對較低的屈服強度，與其優異的延展性相比，明顯的強度-延展性兩難權衡，為它們在結構工程中的應用提供了強大的障礙。因此，FCC 型 HEA/MEA 非常需要適當的設計，以獲得高強度和良好延展性的優異組合。

傳統的晶界硬化和沉淀硬化可能會在 HEA/MEA 中產生有希望的強化效果，但伴隨著強度的提高通過高延展性犧牲。最近的研究表明，在金屬和合金中調整異質性可以有效地產生異質變形誘導（HDI）硬化，從而產生優異的強度-延展性協同性能。吳等人。報道了通過冷軋（CR）和部分再結晶退火工藝制備的三級異質晶粒結構 CrCoNi MEA，其晶粒尺寸跨越納米至微米范圍，其屈服強度高于 1 GPa，同時保持優異的均勻著色約 22%。受上述策略的啟發，設計結構異質性，即導致 HDI 硬化，應該是獲得 FCC 型 HEA/MEA 的強度和延展性組合特性的有趣且有效的方法。

對此，西北工業大學凝固加工國家重點實驗室羅賢教授團隊選擇 FCC 型 CrCoNi MEA 作為 HDI 硬化的基材，因為它具有高加工硬化性和優異的延展性。通過高能噴丸（HESP）在 CG CrCoNi MEA 中成功構建了 GNG 結構。實驗結果表明，構建 GNG 結構具有優異的強度和延展性協同性能。該工作不僅將證明構建 GNG 結構應該是解決 FCC MEAs/HEA 中強度和延展性權衡問題的一種可行且有效的方法，而且為異質結構中的 HDI 硬化提供有用的見解。相關研究成果發表在材料學頂刊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HESP處理的CG CrCoNi樣品的微觀結構研究，

（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結構，插圖為相應的SADP，（b）孿晶UFG結構，紅色箭頭表示孿晶結構，（c）變形CG結構，黃色箭頭表示高密度位錯，（d）和（e）HESP處理的平板拉伸樣品示意圖，顯示兩個GNG層夾一個變形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樣品的微觀結構。

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

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

（b）典型的工程應力-應變曲線，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：當前GNG CrCoNi MEA與以往關于CrCoNi和基于不同強化方法的CrCoNi MEA的文獻的比較結果

圖5：（a） CG和GNG CrCoNi MEA樣品的LUR拉伸試驗結果，

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

其中σr和σu是LUR回線的重新加載屈服應力和卸載屈服應力

圖6：通過TEM調查，在頂部表面拉伸測試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結構的放大圖，（e）中心層的變形CG，插圖SADP表示DTs結構，（d）HRTEM圖像，顯示熱孿晶演變為非相干HAGB，插圖是相應的FFT。

圖7：GNG樣品中隨外加應力增加的微觀結構演變示意圖，在拉伸過程中表現出動態增強的異質晶粒結構，（a）原始GNG結構：（b）非均勻變形導致CG結構中的HDI應力，和（c）由于DTs和/或SFs分離顆粒而形成更不均勻的結構。

在這項研究中，通過HESP處理將GNG結構引入FCC型CrCoNi MEA。GNG CrCoNi MEA顯示出優越的強度和延展性協同性能，表現出高強度的YS和UTS，分別為？1215MPa和？1524 MPa，保持良好的延展性？23.0%. 這種GNG結構中不均勻變形導致的HDI硬化帶來了了大部分非凡的屈服強度。大量DTs和/或SFs動態增強的非均質晶粒結構促進了HDI硬化效果的增強，這有助于在高強度下保持良好的延展性和應變硬化。這些工作證明，構建GNG結構應該是解決FCC MEAs/HEAs和其他低SFE材料的強度和延性折衷問題的一種可行和有效的方法，并且為理解異質結構中的HDI硬化提供了有用的見解。

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