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

2022-12-12 15:01:47 作者：材料學網(wǎng) 來源：材料學網(wǎng) 分享至：

多組分合金，又稱復合成分合金(CCAs)或高熵合金(HEAs)，是一類突破傳統(tǒng)合金設計理念的新型材料。Fe-Mn-Co-Cr-Ni復合合金具有硬度高、強延性平衡好、耐腐蝕性能好、耐輻照等優(yōu)良性能。隨著其在低溫環(huán)境和動態(tài)載荷下的應用潛力的不斷探索，其在航空航天、深海船舶、儲能等多個領域的應用受到了極大的關注。在這些具有等原子和非準原子成分的合金中，面心立方(fcc)結(jié)構普遍占主導地位，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度往往太低，難以滿足先進工程應用的要求。在這種背景下，許多人致力于開發(fā)高性能的fcc多組分合金，提高屈服強度，取得了令人矚目的進展。

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;其次，通過粉末冶金技術或涉及嚴重塑性變形和再結(jié)晶退火的熱機械處理，實現(xiàn)了Cantor合金的超細晶粒誘導強化;(FeCoNiCr)94Ti2Al4、(FeCoNi)86Al7Ti7和(CoCrFeNi)99.5Al0.5 (at.%)多組分合金的納米沉淀強化效果顯著。此外，在FeMnCoCr基多組分合金中獲得了異質(zhì)組織，導致異質(zhì)組織誘導強化。異質(zhì)結(jié)構按其尺度可分為兩類，即具有雙峰晶粒分布、梯度結(jié)構、層狀結(jié)構等異質(zhì)結(jié)構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)和相鄰原子之間沒有確定親緣關系的納米級濃度波引起的成分的非均勻性。這些異質(zhì)組織引起的強化能夠顯著提高fcc多組分合金的屈服強度。值得注意的是，冷變形和后續(xù)退火的制備路線可以在常規(guī)和多組分材料中引入晶粒級異質(zhì)組織，是一種經(jīng)濟、高效和易于實現(xiàn)的方法。同時，多組分合金中化學成分的原子尺度分布不僅與原子半徑和化學鍵密切相關，還可以通過應用適當?shù)臒崃庸?shù)來調(diào)整。這種特征符合通過適當?shù)募庸ぢ肪€在材料中構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，東北大學申勇峰教授團隊提出了一種新的策略，以生產(chǎn)超高強度，堅韌和成本節(jié)約的fcc多組分合金。通過對著名的亞穩(wěn)Fe50Mn30Co10Cr10 (at.%)多組分合金進行大量n摻雜和簡單的熱機械加工(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)動的局部化學有序(LCO)引入到多異質(zhì)結(jié)構中，該結(jié)構由含有大量細條的非再結(jié)晶(NRX)晶粒和少量含納米氮化物的亞微米級再結(jié)晶(RX)晶粒組成。合成的合金表現(xiàn)出超高屈服強度(1.34 GPa)和令人滿意的均勻伸長率(13.9%)的出色結(jié)合。將該設計策略應用于多組份奧氏體鋼中，證明了其通用性。通過微觀組織表征和宏觀/微觀力學性能測試，揭示了超強催化裂化多組分合金的強化增韌機理。特別地，闡明了LCO疇的形成與大塊合金顯著強化之間的相關性。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滑移帶的局域有序性得到提升，隨后在退火過程中，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，為開發(fā)具有超高屈服強度和良好延性的先進材料提供了實際指導。

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)工程應力應變曲線。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，并進行了比較。(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)切片上進行了微觀結(jié)構表征。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)構分析。(a)板條結(jié)構TEM顯微圖。(b)沿[112]γ軸的SAED，取自(a)中紅色虛線圈。(c)取自(a)中白色虛線矩形的暗場TEM顯微照片。(d)取自(a)中沿[112]γ軸的紅色虛線圈的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)中的藍色虛點圓和帶有擴散散射的FFT圖樣。(f)顯示SRO域的IFFT圖像。(g)覆蓋fcc晶格的SRO IFFT圖像。插圖是從綠色虛線矩形中截取的SRO域的特寫視圖。(h) SRO的IFFT圖像與(e)對應的ABF圖像疊加。插圖取自綠色虛線矩形，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。沿不同軸的檢測路徑由(b)中的橙色箭頭表示。

圖4

LCO-lath的形成和特點。(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，以及相應的SAEDs。(d)從圖2(a)中紅色虛線圈沿[112]γ軸拍攝的HRTEM圖像。MRO和SRO區(qū)域和SRO區(qū)域分別來自LCO-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)構域的尺寸分布。(g)在不同材料狀態(tài)下的熱機械加工過程中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，紅球平面與藍球平面交替。三維模型中的灰色球是Fe, Mn, Co和Cr原子隨機分布在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色所示。為了更好地說明，所有的能量都是相對于fcc結(jié)構的平衡能量歸一化的。每次計算都采用順磁結(jié)構。

圖6

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

圖7

N3.2 HEA-PRX材料的增強和增韌機理。(a)四個典型區(qū)域的統(tǒng)計納米硬度值，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疇引起的位錯堆積，以及多個孿晶。(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方法(主要從間隙固溶體增強、晶粒細化、晶粒尺寸的非均質(zhì)性和原子尺度的異質(zhì)結(jié)構增強)的比較。(e)屈服強度與合金原材料成本的關系。

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)位錯類型和(c) MWH圖(K vs KC?1/2曲線)。

圖9

(a)

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

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

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