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西北工大重磅《Nature》子刊：強度2GPa，延伸率35%！共晶高熵合金取得重大進展！

2022-08-15 16:51:34 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：優異的延展性不僅對成形至關重要，而且對強化金屬和合金也至關重要。迄今為止最廣泛使用的共晶合金在先進結構材料中受到了延性下降的問題。本文報告了一種獨特的相選擇再結晶概念，通過完全觸發雙相的應變硬化能力來克服共晶合金的這一挑戰。我們對共晶高熵合金(EHEA)中兩相的應變分配行為進行了操作，得到了完全再結晶的軟相嵌在硬相骨架中的相選擇性再結晶顯微組織。由此產生的微觀組織消除了弱邊界，充分釋放了EHEA的應變硬化能力。我們的相選擇性再結晶EHEA在真應力為~ 2 GPa的情況下獲得了~ 35%的高延性均勻伸長率。這一概念適用于各種具有軟硬相的雙相合金，為傳統共晶合金作為高強度金屬材料開辟了新領域。

共晶合金在人類文明史上占有主導地位例如，農業社會的鑄鐵在現代工業中鑄造鋁合金共晶高熵合金(EHEAs)等先進金屬材料。優良的可澆注性，無偏析/缺陷，以及自生的雙相使共晶合金在低成本的量產和平衡的強度-塑性組合方面具有顯著優勢。然而，隨著先進結構材料的快速發展，這些優勢正在逐漸消失由于共晶合金的變形性能不理想，以及有限的冶金機制來延展性它們。

共晶合金在單軸拉伸過程中，弱界面(包括硬相的相界(PBs)和晶界(gb))的開裂導致合金過早失效。這種情況導致共晶合金的拉伸伸長率較低，即使它們的相都是應變硬化的。延緩裂紋萌生和防止裂紋擴展是迄今為止維持共晶合金應變硬化的唯一成功途徑: 通過控制凝固過程細化組織通過熱成形或劇烈塑性變形使兩相再結晶，然后退火。雖然這些方法延緩了共晶合金的早期斷裂，但由于大量裂紋形核，共晶相的應變淬煉性并沒有被充分觸發，因此獲得超塑性塊狀共晶合金仍然具有挑戰性。

在這項工作中，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，證明了相選擇再結晶(PSR)通過充分利用共晶中兩相的應變硬化能力來實現超韌性共晶合金。與傳統的策略不同，他們主要專注于通過調整組成相的再結晶行為來消除和限制變形過程中的裂紋形核位置。隨著早期裂紋的減少和限制，共晶中兩相優異的應變硬化能力完全釋放，其拉伸伸長率是鑄態(AC)和完全再結晶(FR)共晶合金的兩倍。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。

相關研究成果以題“Phase-selective recrystallization makes eutectic high-entropy alloys ultra-ductile”發表在nature communications上。

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

鑒于在PSR中兩相之間的應變分配的關鍵作用，我們進一步揭示了應變分配行為。由于FCC相的顯微硬度(~ 4.44 GPa)遠低于B2相(~ 5.67 GPa)，因此其在變形過程中承受更多的應變。采用原位μ-DIC技術對應變分配行為進行了實驗表征。在拉伸變形過程中，兩相之間存在明顯的應變差異(圖4b)。定量分析表明，FCC相的局部von Mises應變甚至比B2相高6倍(圖4c)。因此，冷軋可以誘導FCC相產生更多的應變能，從而促進后續的單晶再結晶。

從理論上講，考慮到雙相體系的力學性質，變形過程中各組成相的應變分配可以描述為共晶合金及其組成相的強度和加工硬化參數以及組成相的體積分數的函數。基于上述參數，我們提出了一個模型，以找到各種包含軟相和硬相的共晶體系中適合PSR的變形水平。我們進一步將PSR加工策略應用于工業A357鑄造鋁合金，以證明其普適性。PSR后伸長率從AC狀態的~ 8%顯著增加到~ 23%。進一步強化后的A357合金的抗拉強度可達~ 400 MPa，是AC狀態的兩倍。理論和實驗表明，PSR是一種通用而有力的方法來設計共晶合金作為高強度金屬材料。

圖1 PSR EHEA的|組織和力學性能。AC、FR和PSR EHEAs中FCC(上)和B2(下)相的a-c電子背散射衍射(EBSD)反極圖(IPF)圖。插頁顯示相應的極圖(PF)映射。d拉力AC、FR和PSR EHEAs的真應力-應變曲線。e與傳統的AC、FR和UFG EHEAs相比，現有的PSR和進一步強化的PSR EHEAs的極限抗拉強度與均勻延伸率。

圖2 PSR EHEA的|斷裂機制。繪制了AC、FR和PSR EHEAs的應變硬化速率曲線。b-d AC、FR和PSR EHEAs的斷裂截面和表面。B2相內的微裂紋用黃色箭頭表示。c中的插圖顯示了典型微裂紋周圍B2相的EBSD IPF圖，揭示了裂紋在GB處萌生。d中的insert比較FR和PSR EHEA之間的微裂紋數量密度，表明PSR EHEA的開裂傾向降低。誤差條表示標準偏差。e、f μ-DIC結果表明，AC EHEA和PSR EHEA在拉伸變形過程中應變局部化嚴重，PSR EHEA應變分布均勻。所有圖像的拉伸方向都是水平的。

圖3 PSR EHEA的|變形機制。在斷裂的AC EHEA中有一個位錯的亞結構。b、c位錯亞結構分別出現在18%和35%拉伸的PSR EHEAs中。PSR試樣[001]、[011]、[111],分別揭示體心四方(BCT)晶體結構。超晶格用紅色圓圈標出。g變形前后晶體結構變化示意圖。

他們已經發現了PSR在提高力學性能方面的巨大優勢，并揭示了其獨特的機制。傳統FR EHEA與現有PSR EHEA的主要區別在于B2相的非再結晶狀態和骨架形態。PSR的關鍵在于我們對雙相合金應變分配行為的批判性思考:適度變形會在兩相中產生兩種不同的應變水平，一種是再結晶，而另一種只能在后續熱處理中引起恢復。附圖10實驗研究了EHEA中FCC相和B2相在不同變形量和后續退火條件下的恢復和再結晶行為。在催化裂化過程中，30%的變形量可以達到部分再結晶，而B2只恢復。據此，PSR獨特的加工路線包括30%適度變形和退火兩個循環(圖4a)。經過一個循環的熱機械處理后，不規則區域的FCC相部分再結晶。經過兩輪熱機械處理后，FCC相完全再結晶，B2相恢復粗化。

圖4 |加工路線及PSR形成機制。加工路線和相應的微觀結構演變示意圖。對于PSR, AC EHEA進行30%冷軋(CR)， 1200℃退火2次。FCC相、B2相、PB、GB/TB用青色、黃色、黑色、和紅色，分別。b AC EHEA在拉伸試驗中的原位μ dic結果，揭示了FCC相和B2相在變形過程中的應變分配。c局部von Mises應變沿b中黃色箭頭的變化，顯示出更高的應變分配到FCC相。

總之，我們提出了一種通用的PSR方法來延化共晶合金。PSR,即。通過調整共晶兩相之間的應變分配行為，實現了軟相的單獨再結晶和硬相的恢復。與傳統的共晶合金加工方法相比，PSR通過消除弱邊界來防止過早斷裂，從而通過位錯倍增和潛在相變激發兩相具有本質優越的應變硬化能力。在典型FCC/B2 EHEA中，獲得了~ 35%的均勻伸長率和~ 2 GPa的真應力。以應變分配為主的PSR機制保證了其在其他雙相合金中的良好適應性，A357合金證明了這一點。這一策略結合了共晶合金優異的可鑄造性和強化能力，將開辟共晶合金作為高強度金屬材料在模型文明中的新領域。

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