{首页主词},&

東北大學(xué)《Acta Materialia》：屈服1.34GPa，延伸率13.9%！超高強(qiáng)高韌性多組分合金

2022-11-29 13:53:16 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

多組分合金，又稱(chēng)復(fù)合成分合金(CCAs)或高熵合金(HEAs)，是一類(lèi)突破傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念的新型材料。Fe-Mn-Co-Cr-Ni復(fù)合合金具有硬度高、強(qiáng)延性平衡好、耐腐蝕性能好、耐輻照等優(yōu)良性能。隨著其在低溫環(huán)境和動(dòng)態(tài)載荷下的應(yīng)用潛力的不斷探索，其在航空航天、深海船舶、儲(chǔ)能等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大的關(guān)注。在這些具有等原子和非準(zhǔn)原子成分的合金中，面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)普遍占主導(dǎo)地位，這保證了材料的高延性和斷裂韌性。然而，合金在單軸拉伸載荷下的屈服強(qiáng)度往往太低，難以滿(mǎn)足先進(jìn)工程應(yīng)用的要求。在這種背景下，許多人致力于開(kāi)發(fā)高性能的fcc多組分合金，提高屈服強(qiáng)度，取得了令人矚目的進(jìn)展。

首先，在等原子的FeMnCoCrNi合金(Cantor合金)和非等原子的FeMnCoCr合金中摻雜C、N或B可以獲得顯著的間質(zhì)固溶體增強(qiáng);其次，通過(guò)粉末冶金技術(shù)或涉及嚴(yán)重塑性變形和再結(jié)晶退火的熱機(jī)械處理，實(shí)現(xiàn)了Cantor合金的超細(xì)晶粒誘導(dǎo)強(qiáng)化;(FeCoNiCr)94Ti2Al4、(FeCoNi)86Al7Ti7和(CoCrFeNi)99.5Al0.5 (at.%)多組分合金的納米沉淀強(qiáng)化效果顯著。此外，在FeMnCoCr基多組分合金中獲得了異質(zhì)組織，導(dǎo)致異質(zhì)組織誘導(dǎo)強(qiáng)化。異質(zhì)結(jié)構(gòu)按其尺度可分為兩類(lèi)，即具有雙峰晶粒分布、梯度結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)等異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料的晶粒尺寸的非均勻性，以及亞納米尺度的近程階(SRO)、1 ~ 5 nm的中程階(MRO)和相鄰原子之間沒(méi)有確定親緣關(guān)系的納米級(jí)濃度波引起的成分的非均勻性。這些異質(zhì)組織引起的強(qiáng)化能夠顯著提高fcc多組分合金的屈服強(qiáng)度。值得注意的是，冷變形和后續(xù)退火的制備路線(xiàn)可以在常規(guī)和多組分材料中引入晶粒級(jí)異質(zhì)組織，是一種經(jīng)濟(jì)、高效和易于實(shí)現(xiàn)的方法。同時(shí)，多組分合金中化學(xué)成分的原子尺度分布不僅與原子半徑和化學(xué)鍵密切相關(guān)，還可以通過(guò)應(yīng)用適當(dāng)?shù)臒崃庸?shù)來(lái)調(diào)整。這種特征符合通過(guò)適當(dāng)?shù)募庸ぢ肪€(xiàn)在材料中構(gòu)造非均勻晶粒分布的策略，從而為多組分合金產(chǎn)生成分非均勻性，從而提高其性能-成本比提供了巨大的潛力。

在這些考慮的啟發(fā)下，東北大學(xué)申勇峰教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新的策略，以生產(chǎn)超高強(qiáng)度，堅(jiān)韌和成本節(jié)約的fcc多組分合金。通過(guò)對(duì)著名的亞穩(wěn)Fe50Mn30Co10Cr10 (at.%)多組分合金進(jìn)行大量n摻雜和簡(jiǎn)單的熱機(jī)械加工(即冷軋后部分再結(jié)晶退火)，其中昂貴的Ni和Co的含量已從康托合金中減少，將間隙驅(qū)動(dòng)的局部化學(xué)有序(LCO)引入到多異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)由含有大量細(xì)條的非再結(jié)晶(NRX)晶粒和少量含納米氮化物的亞微米級(jí)再結(jié)晶(RX)晶粒組成。合成的合金表現(xiàn)出超高屈服強(qiáng)度(1.34 GPa)和令人滿(mǎn)意的均勻伸長(zhǎng)率(13.9%)的出色結(jié)合。將該設(shè)計(jì)策略應(yīng)用于多組份奧氏體鋼中，證明了其通用性。通過(guò)微觀組織表征和宏觀/微觀力學(xué)性能測(cè)試，揭示了超強(qiáng)催化裂化多組分合金的強(qiáng)化增韌機(jī)理。特別地，闡明了LCO疇的形成與大塊合金顯著強(qiáng)化之間的相關(guān)性。還發(fā)現(xiàn)SRO是本研究中摻氮多組分合金的固有特征，即它已經(jīng)存在于鑄造和均質(zhì)合金中。在冷變形條件下，顯著激活的平面位錯(cuò)滑移帶的局域有序性得到提升，隨后在退火過(guò)程中，該滑移帶演化為帶LCO疇的fcc組織板條。這些結(jié)果揭示了間質(zhì)fcc合金中多異質(zhì)組織的起源，為開(kāi)發(fā)具有超高屈服強(qiáng)度和良好延性的先進(jìn)材料提供了實(shí)際指導(dǎo)。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118495

圖1

N3.2 HEA (Fe46.8Mn30Co10Cr10N3.2)和HNS (Fe61.4Mn16.5Cr17.9Mo1.3N2.9)在不同狀態(tài)下的拉伸行為和顯微組織。(a)和(b)工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。本文還給出了N3.2 HEA的基體合金N0 HEA (Fe50Mn30Co10Cr10)在HOMO態(tài)下的曲線(xiàn)，并進(jìn)行了比較。(a1-a3)和(b1-b3) N3.2 HEA-PRX和HNS-PRX材料的BSE顯微照片。在縱向(RD-ND)切片上進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)表征。HOMO:均質(zhì)化的;PRX:部分再結(jié)晶;FRX:完全再結(jié)晶

圖2

N3.2 HEA-PRX材料的SRO和板條結(jié)構(gòu)分析。(a)板條結(jié)構(gòu)TEM顯微圖。(b)沿[112]γ軸的SAED，取自(a)中紅色虛線(xiàn)圈。(c)取自(a)中白色虛線(xiàn)矩形的暗場(chǎng)TEM顯微照片。(d)取自(a)中沿[112]γ軸的紅色虛線(xiàn)圈的HRTEM圖像，顯示板條/奧氏體基體界面附近的區(qū)域。(e)沿[112]γ軸的STEM-HAADF圖像取自(a)中的藍(lán)色虛點(diǎn)圓和帶有擴(kuò)散散射的FFT圖樣。(f)顯示SRO域的IFFT圖像。(g)覆蓋fcc晶格的SRO IFFT圖像。插圖是從綠色虛線(xiàn)矩形中截取的SRO域的特寫(xiě)視圖。(h) SRO的IFFT圖像與(e)對(duì)應(yīng)的ABF圖像疊加。插圖取自綠色虛線(xiàn)矩形，表示間隙N原子的分布。(i)從(a)中橙色針狀區(qū)域提取的分析樣品中，顯示所有元素均勻分布的APT圖，以及沿樣品縱向采集的原子組分的一維濃度分布圖。給出了相應(yīng)的透射菊池衍射(TKD)取向圖(RD和ND樣品方向著色的逆極圖)，表明奧氏體的{110}<112>取向。未標(biāo)度區(qū)域是靠近奧氏體矩陣的板條。

圖3

N3.2 HEA-PRX材料中SRO和化學(xué)有序板條的證據(jù)。(a)板條和奧氏體基體的TEM顯微圖。(b) fcc結(jié)構(gòu)的菊池圖。(c)沿[111]γ、[112]γ、[114]γ和[123]γ帶軸從奧氏體基體、基體/板條界面和板條上獲得的SAED圖。沿不同軸的檢測(cè)路徑由(b)中的橙色箭頭表示。

圖4

LCO-lath的形成和特點(diǎn)。(a)-(c)從選定區(qū)域采集的N3.2 HEA-HOMO、N3.2 HEA-CR和N3.2 HEA-FRX材料的TEM顯微圖，以及相應(yīng)的SAEDs。(d)從圖2(a)中紅色虛線(xiàn)圈沿[112]γ軸拍攝的HRTEM圖像。MRO和SRO區(qū)域和SRO區(qū)域分別來(lái)自L(fǎng)CO-lath和奧氏體基體。插圖顯示了從MRO域獲得的FFT模式。(e)顯示MRO域的IFFT圖像。(f) N3.2 HEA-PRX材料中SRO和MRO結(jié)構(gòu)域的尺寸分布。(g)在不同材料狀態(tài)下的熱機(jī)械加工過(guò)程中LCO-lath的演變示意圖。只顯示NRX區(qū)域。(h) LCO中主要元素的原子排列示意圖和相應(yīng)的衍射圖樣。二維模型沿[112]γ軸觀察。在二維和三維模型中，紅球平面與藍(lán)球平面交替。三維模型中的灰色球是Fe, Mn, Co和Cr原子隨機(jī)分布在fcc晶格中。HOMO:均質(zhì)化的;CR:冷軋;PRX:部分再結(jié)晶;FRX:完全再結(jié)晶。

圖5

Fe50Mn30Co10Cr10合金在fcc和不同SRO構(gòu)型下總能量的比較，繪制為Wigner-Seitz半徑的函數(shù)。考慮了四種SRO構(gòu)型，即[Fe0.4Cr0.1]α[Mn0.3Co0.1Fe0.1]β， [Fe0.4Mn0.1]α[mn0.2 co0.1 cr0.1]β， [Fe0.5]α[Mn0.3Co0.1Cr0.1]β和[Fe0.4Co0.1]α[Mn0.3Cr0.1Fe0.1]β，其中α和β分別代表SRO內(nèi)不同的原子位置，如圖4(h)三維原子排列模型中的紅色和藍(lán)色所示。為了更好地說(shuō)明，所有的能量都是相對(duì)于fcc結(jié)構(gòu)的平衡能量歸一化的。每次計(jì)算都采用順磁結(jié)構(gòu)。

圖6

N3.2 HEA-PRX材料各區(qū)域的納米壓痕試驗(yàn)。(a)典型的BSE顯微圖像顯示四個(gè)典型區(qū)域的納米壓痕。壓痕壓入無(wú)析出相和有析出相的RX區(qū)，壓痕壓入無(wú)析出相和有板條的NRX區(qū)，分別用綠色、紫色、橙色和藍(lán)色圓圈標(biāo)出。(b)從各區(qū)域獲得的典型荷載-位移曲線(xiàn)。

圖7

N3.2 HEA-PRX材料的增強(qiáng)和增韌機(jī)理。(a)四個(gè)典型區(qū)域的統(tǒng)計(jì)納米硬度值，即不含和有析出相的RX區(qū)和不含和有板條的NRX區(qū)。(b)和(c) N3.2 HEA PRX材料變形斷口附近區(qū)域的TEM顯微圖。觀察到由LCO-lath/奧氏體基體界面和奧氏體基體中的SRO疇引起的位錯(cuò)堆積，以及多個(gè)孿晶。(b)和(c)中的插圖分別顯示了雙光束條件和[011]γ軸下的衍射圖樣。(d) N3.2 HEA-PRX和HNS-PRX材料的拉伸性能與其他多組分合金的不同增強(qiáng)方法(主要從間隙固溶體增強(qiáng)、晶粒細(xì)化、晶粒尺寸的非均質(zhì)性和原子尺度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)增強(qiáng))的比較。(e)屈服強(qiáng)度與合金原材料成本的關(guān)系。

圖8

(a)N3.2 HEA-HOMO, N3.2 HEA-PRX和N3.2 HEA-FRX材料的中子衍射圖樣，(b)位錯(cuò)類(lèi)型和(c) MWH圖(K vs KC?1/2曲線(xiàn))。

圖9

(a)

HNS- homo、HNS -PRX和HNS -FRX材料的中子衍射圖、(b)位錯(cuò)類(lèi)型和(c) MWH圖。

此研究在fcc多組分合金中采用了引入間隙驅(qū)動(dòng)LCO的設(shè)計(jì)策略，獲得了超高屈服強(qiáng)度(> 1.34 GPa)和令人滿(mǎn)意的延性(> 12.5%)的良好結(jié)合。兩種合金在部分再結(jié)晶狀態(tài)下的高屈服強(qiáng)度是由于在NRX奧氏體基體中嵌入了大量細(xì)小的lco -板條。fcc組織板條包括MRO和SRO區(qū)域，板條由平面位錯(cuò)滑移帶演化而來(lái)，在冷軋過(guò)程中位錯(cuò)滑移帶被明顯激活，并在隨后的退火過(guò)程中表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性。首次證實(shí)了間質(zhì)fcc多組分合金中SRO和MRO同時(shí)存在，且MRO的強(qiáng)化作用顯著。此外，本文采用的在fcc多組分合金中引入間隙驅(qū)動(dòng)LCO的強(qiáng)化手段，既不需要高昂的原材料成本，也不需要復(fù)雜的熱力加工路線(xiàn)。因此，該策略有望應(yīng)用到更多的催化裂化合金體系中，如銅合金、高溫合金、高級(jí)鋼和多組分合金，以低成本實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的突破。

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。