西安交大《AM》復雜濃縮合金，屈服1.4GPa，抗拉2.25GPa，延伸率≈ 45%
2024-12-25 11:49:43
作者：材料學網 來源：材料學網
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金屬結構材料的高強度和大拉伸延性是其工程應用的前提，特別是低溫環境所用材料的強-塑-韌性匹配尤為重要，以避免低溫脆性導致的災難性事故發生。這通常要求合金不僅具有高的屈服強度(YS, σy > 1.0GPa)，還要高加工硬化率(WHR, Θ)以實現大均勻延伸率(UE, ?u > 15%)和高抗拉強度(UTS, σUTS > 2.0GPa)。目前，廣泛使用的低溫合金（如316L不銹鋼）難以滿足上述要求，其原因在于它們使用的強化相（如BCC相、B2相等）體積分數低且具有低溫脆性，急劇損失合金的塑韌性。與傳統低溫鋼相比，提升合金低溫性能的有效途徑是采用復雜濃縮合金的設計理念，這涉及到采用多種主元素以再形成富鐵FCC復雜濃縮合金。盡管單相FCC復雜濃縮合金具有高塑性/韌性，但是其強度通常較低，特別是具有相變誘導塑性(TRIP)效應的FCC復雜合金的屈服強度極低，導致材料韌性也難以滿足需求。
針對上述問題，西安交大金屬材料強度國家重點實驗室孫軍院士團隊受鐵基和鎳基高溫合金微觀結構的啟發，提出使用高體積分數共格 L12納米析出相強化FCC富鐵復雜濃縮合金(CCA)基體。為了實現低溫高強度大延性/韌性，該合金的設計思想是在FCC基體中構筑超高密度的雙功能共格L12納米析出相，一方面L12相作為位錯障礙以顯著增強屈服應力，另一方面在足夠高的應力水平下使其作為位錯源被激活，提供充足的不全位錯以實現高加工硬化性能，從而實現大均勻延伸率。特別是，超高密度的納米L12析出相在發生孿生變形的同時顯著提升了合金的流變應力水平，使得在低溫77K拉伸時FCC基體轉變為BCC相，通過此TRIP效應進一步提升了合金的加工硬化率(WHR > 4GPa)。由于復雜濃縮合金相變產生的BCC相中螺位錯和刃位錯在高應力水平下具有相近的可動性，從而避免了FCC-BCC轉變所誘發的低溫脆性，這與傳統的富碳馬氏體的FCC-BCT相變誘發的低溫脆性截然不同。為此，團隊基于領域知識輔助的機器學習進行了合金設計，獲得了L12析出強化型Fe35Co29Ni24Al10Ta2復雜濃縮合金，其L12相的尺寸約10nm、體積分數高達≈ 65±3 vol.%，從而在液氮溫度下實現了前所未有的性能組合，即YS ≈ 1.4GPa，UTS ≈ 2.25GPa，UE ≈ 45%和WHR > 4GPa。該復雜濃縮合金的靜力韌性高于迄今為止已知的所有低溫用合金，有望應用于低溫領域，團隊提出的合金設計策略也為其他高性能合金設計提供了新思路。
圖1. Fe35Co29Ni24Al10Ta2合金的初始態、室溫變形和低溫變形微觀結構
圖2.設計的Fe35Co29Ni24Al10Ta2合金與目前報道的高性能合金在室溫/低溫下的性能對比該研究成果以《77K下復雜濃縮合金創紀錄的高強度和韌性》（A Complex Concentrated Alloy with Record-High Strength-Toughness at 77 K”）為題在線發表于《先進材料》《Advanced Materials》。西安交通大學材料學院博士生Yasir Sohail和張崇樂為論文共同第一作者，張金鈺教授、薛德禎教授、馬恩教授和孫軍院士為論文共同通訊作者，參與該工作的還包括李蘇植教授和劉剛教授。西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室是該工作唯一通訊單位。該工作得到了國家自然科學基金、陜西省科技創新團隊項目、中央高校基本科研業務費等項目的共同資助。論文鏈接地址: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202410923
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