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西工大《Nature》子刊！雙相合金強韌化重大突破！

2022-08-15 14:41:24 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

優異的延展性對合金成型與強化至關重要，傳統共晶等雙相合金因其有限延展性在先進結構材料中逐漸失去優勢。日前，西北工業大學王錦程教授團隊在雙相合金韌化方面取得重大進展，提出了一種獨特的相選擇再結晶概念，可充分激發雙相合金固有的優異加工硬化能力，顯著提升其延展性。以FCC/B2共晶高熵合金為模型，通過調控兩相應變分配與再結晶行為，獲得了完全再結晶的軟相嵌在未再結晶的骨架狀硬相的相選擇再結晶組織。該組織消除了變形過程中潛在的裂紋源，促進合金發生持續加工硬化，使其具有高達35%的均勻延伸率和接近2 GPa的斷裂真應力。相選擇再結晶策略對同時包含軟硬相的雙相合金具有一定普適性，有望促進傳統雙相合金作為超高強結構材料的應用。

相關論文以“Phase-selective recrystallization makes eutectic high-entropy alloys ultra-ductile”為題，發表在國際頂尖期刊《Nature Communications》上。西北工業大學博士生吳慶峰和青年教師何峰教授為共同第一作者，西北工業大學王錦程教授、王志軍教授為共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32444-4

通過多道次中等變形量冷軋與高溫退火工藝，作者獲得了相選擇再結晶（PSR）共晶高熵合金。其中，FCC相完全再結晶，取向隨機分布，內部包含大量大角度晶界；而B2相保持回復狀態，具有部分特定取向、內部以小角度晶界為主。該組織完全不同于鑄態（AC）合金的層片與不規則混合組織和完全再結晶態（FR）合金的等軸雙相組織。相選擇再結晶合金均勻延伸率相比鑄態和完全再結晶態提升一倍，且表現出優異的加工硬化能力，其斷裂真應變達到30%，真應力接近2 GPa。通過進一步引入位錯和析出等強化機制，可將合金抗拉強度提升至近2.2 GPa，遠超現有共晶高熵合金。

圖1 相選擇再結晶合金微觀組織與力學性能

不同于鑄態和完全再結晶態合金加工硬化未達到失穩條件即發生斷裂，相選擇再結晶合金充分加工硬化直至失穩。利用原位拉伸實驗對斷裂機制深入分析表明相選擇再結晶合金消除潛在的裂紋源是其塑性提升的關鍵。鑄態合金中與加載方向成45°的層片位置極易產生應變集中，導致樣品提前失效，其斷口表現出部分脆性斷裂特征。完全再結晶態合金消除了層片組織，其應變分布相對均勻。然而，合金中B2相由于再結晶形成的大量晶界成為新的裂紋源，同樣導致樣品提前失效。相反，相選擇再結晶合金消除層片組織的同時不會在B2相內部引入晶界，避免了合金的提前失效。

圖2 相選擇再結晶合金斷裂機制

相選擇再結晶在抑制合金提前斷裂的同時充分激發了其組成相固有的優異加工硬化能力。在拉伸斷裂的共晶高熵合金試樣中，FCC和B2相內部均存在高密度位錯，表明兩相具有優異的位錯增殖與存儲能力，這也使合金表現出超強的背應力強化效果。此外，作者還在斷裂試樣中發現了B2相發生相變的證據。對晶格常數的測量表明B2相由變形前的體心立方結構轉變成變形后的體心四方結構。因此，相選擇再結晶合金的超高塑性是通過激發FCC和B2相產生高密度位錯以及B2相發生馬氏體相變實現的。

圖3 相選擇再結晶合金變形機制

相選擇再結晶工藝的基本原理決定了其對于雙相合金的普適性。對于同時包含軟相與硬相的雙相合金，變形過程中軟相會承擔更多應變。因此，通過合理調控變形量即可實現軟相變形量超過其再結晶臨界變形量，而硬相變形量小于其再結晶臨界變形量。對于FCC/B2共晶高熵合金，實驗和計算結果均表明30%是合適的相選擇再結晶變形量。此外，作者將相選擇再結晶工藝應用于A357鑄造鋁合金中，獲得了相似的強韌化效果。

圖4 相選擇再結晶工藝與組織形成機制

綜上所述，本文提出了一種通用的相選擇再結晶工藝來韌化共晶等雙相合金。通過調控變形過程中兩相應變分配行為，實現了軟相的選擇性再結晶，保持了硬相的回復狀態。對比傳統加工工藝，相選擇再結晶可消除層片相界、硬相晶界等裂紋源，充分激發兩相持續的位錯增殖和潛在相變等加工硬化能力。在FCC/B2共晶高熵合金中，獲得了35%的均勻延伸率和接近2 GPa的斷裂真應力。應變分配決定的相選擇再結晶機制及該工藝在A357合金中的成功應用證明了其對于雙相合金的普適性。結合共晶合金自身優異的鑄造性能，相選擇再結晶策略有望促進共晶合金作為超高強結構材料的應用。

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