導(dǎo)讀

近日，南京理工大學(xué)納米異構(gòu)中心團(tuán)隊(duì)在異構(gòu)金屬材料的原位電子顯微學(xué)研究方面取得進(jìn)展，在金屬材料知名期刊《Materials Research Letters》發(fā)表題為“Dislocation array reflection enhances strain hardening of a dual-phase heterostructured high-entropy alloy”的學(xué)術(shù)論文。論文共同第一作者為南京理工大學(xué)納米異構(gòu)中心2019級博士生劉億與2021級博士生許夢凝，周浩副教授和曹陽副教授為共同通訊作者。

前沿/背景

異構(gòu)材料由具有顯著強(qiáng)度差異的軟硬組元組成。變形過程中軟硬組元相互耦合產(chǎn)生背應(yīng)力和前應(yīng)力，兩者共同作用產(chǎn)生異變誘導(dǎo)(HDI)應(yīng)力，導(dǎo)致HDI強(qiáng)化和應(yīng)變硬化。具體來說，軟組元產(chǎn)生背應(yīng)力，F(xiàn)rank-Read位錯(cuò)源產(chǎn)生幾何必需位錯(cuò)(GNDs)在滑移面上滑動并堆積在軟組元邊界上，使其變硬。同時(shí)，GNDs在界面的塞積對硬組元施加應(yīng)力集中，從而在硬組元引起前應(yīng)力。高HDI應(yīng)力是異構(gòu)材料高強(qiáng)高韌的關(guān)鍵，而要產(chǎn)生高HDI應(yīng)力，就需要有大量的單位體積的GNDs的形成與塞積。因此，異構(gòu)界面的位錯(cuò)行為及其與界面的相互作用值得我們研究與探索。

南理工納米異構(gòu)中心的研究人員采用In-situ TEM技術(shù)研究了AlCoCrFeNi2 高熵合金的界面位錯(cuò)行為。亞共晶AlCoCrFeNi2 高熵合金是FCC和BCC雙相異構(gòu)材料。由于組成元素的原子半徑存在不匹配，使得材料存在較強(qiáng)的晶格畸變和高晶格摩擦，從而提高了位錯(cuò)產(chǎn)生密度并減慢了位錯(cuò)的滑移速度，有利于原位觀察和研究位錯(cuò)和界面的相互作用。團(tuán)隊(duì)研究人員發(fā)現(xiàn)界面處高密度GNDs的塞積是因?yàn)镕CC和BCC的相界面可以作為GNDs陣列的屏障和反射面，使得來自單個(gè)Frank-Read源的GNDs可以在相界面處發(fā)生多次反射，從而產(chǎn)生多個(gè)反射陣列，因此可在界面處產(chǎn)生高HDI應(yīng)力，獲得顯著的HDI硬化。同時(shí)，因?yàn)楦哽睾辖鹁哂卸坛逃行蛱匦裕谖诲e(cuò)陣列的多次反射過程中，促進(jìn)了位錯(cuò)陣列的平面滑移，有利于位錯(cuò)陣列在相界上的堆積。這種位錯(cuò)陣列的持續(xù)產(chǎn)生和反射，延緩了因相界面應(yīng)力集中而導(dǎo)致的材料失效。

全文簡述

本研究首先對晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)行為進(jìn)行了原位研究。如圖1所示，發(fā)現(xiàn)在FCC晶粒內(nèi)部，位錯(cuò)在（111）平面的滑移受高晶格摩擦力的影響，位錯(cuò)緩慢運(yùn)動并在晶粒內(nèi)部塞積，減緩了界面處GNDs的累積速度。此外，位錯(cuò)容易在多個(gè)非平行（111）平面發(fā)生纏結(jié)及相互作用，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，促進(jìn)了位錯(cuò)在其他（111）平面發(fā)生交滑移行為。這些晶內(nèi)位錯(cuò)行為都有利于提高異構(gòu)材料應(yīng)變硬化能力。

圖1. FCC晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)行為

對于雙相結(jié)構(gòu)材料，界面（相界和晶界）是位錯(cuò)滑移的主要障礙。從圖2中位錯(cuò)與界面的反應(yīng)可以看出：在FCC相中，位錯(cuò)開始在晶粒內(nèi)部的{111}平面滑移，隨著塑性變形的進(jìn)行，GNDs在相界附近堆積并形成有序陣列，產(chǎn)生局部應(yīng)力。由于相界的阻礙及變形的進(jìn)行，需要釋放局部應(yīng)力，則驅(qū)使位錯(cuò)在相邊界處發(fā)生反射。反射產(chǎn)生的位錯(cuò)沿著另外的{111}面向晶粒內(nèi)部繼續(xù)滑移。GNDs經(jīng)過多次滑移及在界面發(fā)生反射后，形成鋸齒狀滑移路徑。此外，當(dāng)GNDs滑移至FCC相的晶界時(shí)，在晶界附近形成局部應(yīng)力集中，初始位錯(cuò)陣列與晶界之間的相互作用可以激活晶界，使晶界成為位錯(cuò)源，向著晶界另一側(cè)的晶粒內(nèi)部發(fā)射位錯(cuò)。

圖2. 位錯(cuò)與相界和晶界的交互作用

通常，在其他異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中的GNDs主要是在界面處發(fā)生塞積，而本研究中的GNDs則會發(fā)生在界面處的反射。與GNDs塞積相比，GNDs反射具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，它能夠由一個(gè)Frank-Read位錯(cuò)源通過滑移和反射之后，產(chǎn)生多個(gè)GNDs塞積，增加了單位體積的GNDs位錯(cuò)密度，從而增加了單位體積的HDI應(yīng)力。其次，GNDs反射行為使得界面附近產(chǎn)生多個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，使得界面處的應(yīng)變分布趨于均勻，整體上提高了界面的強(qiáng)度，避免了單一的GNDs塞積引發(fā)的界面裂紋。第三，GNDs的多次反射避免了GNDs被邊界吸收，從而持續(xù)提供HDI應(yīng)力。

材料整體的HDI應(yīng)力與單位體積內(nèi)增殖的GNDs塞積的數(shù)量有關(guān)，也就是說與單位體積內(nèi)總的GNDs的數(shù)量有關(guān)。對于單個(gè)GND，交滑移限制了局部應(yīng)力集中和GNDs塞積的數(shù)量。在本研究中，一個(gè)Frank-Read位錯(cuò)源釋放一個(gè)初始的GND位錯(cuò)陣列，經(jīng)過界面反射后可以產(chǎn)生多個(gè)GNDs位錯(cuò)陣列，從而有效增加了材料HDI強(qiáng)化和HDI硬化。此外，位錯(cuò)發(fā)生交滑移可以產(chǎn)生額外的加工硬化。

圖3. 軟-硬界面處GNDs陣列的反射機(jī)制示意圖

GNDs陣列反射機(jī)制可以有效提高異構(gòu)材料的HDI強(qiáng)化和硬化，從而獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。為了充分發(fā)揮GNDs陣列反射機(jī)制，在材料的合金成分設(shè)計(jì)和異構(gòu)組織調(diào)控方面有以下兩點(diǎn)要求：1. 平面滑移是啟動GNDs位錯(cuò)反射的先決條件，因此合金成分的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮體系層錯(cuò)能和晶格摩擦力的影響。通過調(diào)控層錯(cuò)能促進(jìn)位錯(cuò)的平面滑移，同時(shí)抑制孿晶形成。2. 變形區(qū)域界面的強(qiáng)度差異。強(qiáng)度差越大，GNDs越難穿過變形區(qū)域界面向另一側(cè)發(fā)射位錯(cuò)。變形區(qū)域強(qiáng)度差異則受位錯(cuò)密度，析出相，固溶強(qiáng)化，晶粒尺寸和晶粒取向等微觀結(jié)構(gòu)的影響。

結(jié)語

本文基于In-situ TEM技術(shù)在雙相異構(gòu)高熵合金中發(fā)現(xiàn)GNDs在軟-硬組元界面的多重反射機(jī)制：單一GNDs位錯(cuò)可通過在界面形成多次反射形成多重GNDs陣列，可以提高HDI應(yīng)變硬化，以維持材料的拉伸塑性。這一發(fā)現(xiàn)為材料的合金化設(shè)計(jì)和異構(gòu)組織調(diào)控提供了重要試驗(yàn)依據(jù)。

文獻(xiàn)鏈接：

Yi Liu, Mengning Xu, Lirong Xiao, Xuefei Chen, Zhaohua Hu, Bo Gao, Ningning Liang, Yuntian Zhu, Yang Cao & Hao Zhou(2023) Dislocation array reflection enhances strain hardening of a dual-phase heterostructured high-entropy alloy, Materials Research Letters, 11:8, 638-647. ( https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2208166)