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我國科研人員成功制備低溫超強韌超細晶高熵合金

2019-02-26 13:27:24 作者：本網整理來源：研之成理分享至：

簡介

隨著社會的發展，人類加強了對未知領域的探索，因此，對高性能材料的需求愈加緊迫。其中太空探索、極地研究、超導裝置、核反應堆和液化氣體儲存等領域需求具有優異低溫性能的材料，例如高強度、高塑性、高沖擊韌性等。在火爆熒幕的科幻電影《流浪地球》中，人類需要在零下80度的地球表面活動，而具有優異低溫性能的各類工具則極其關鍵。目前，316不銹鋼由于不具有明顯的韌脆轉變而被廣泛應用于低溫環境中，然而，低屈服強度限制了其應用。與傳統的單主元金屬材料鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金和鎂合金等相比，近年來，采用多主元設計理念的高熵合金（High-entropyalloy，簡稱HEA）得到了學術界與產業界的廣泛關注，用于開發新材料從而滿足高性能需求。

▲《流浪地球》劇照，圖片來自網絡。

近日，中國科學院金屬研究所、東北大學、悉尼大學和浙江大學合作，通過簡單冷軋和后續熱處理，成功制備了一種具有完全再結晶結構的 CoCrFeMnNi 超細晶（UFG）高熵合金。與通過嚴重塑性變形（SPD）制備獲得的超細晶組織相比，完全再結晶 UFG 材料缺陷少、組織穩定。該 UFG 組織可以有效存儲位錯等缺陷，從而充分利用細晶、位錯和變形孿晶實現強化，保障材料具有優異的加工硬化能力。實驗結果表明，該材料在室溫和液氮溫度下均具有極其優異的強韌性。室溫下的屈服強度、抗拉強度和均勻延伸率分別為 798 MPa、 887 MPa 和 26 %。相比之下，液氮溫度下的屈服強度、抗拉強度和均勻延伸率全面提升，分別為1240 MPa、1460 MPa 和 41 %。與眾多材料相比，該高熵合金的低溫綜合性能更加優異。

該研究提出了利用理想超細晶結構獲得良好的強韌性匹配，為金屬材料強韌化提供了一種可行的設計思路，且采用的軋制制備工藝簡單，可應用于實際的工程材料制備。

圖文解析

采用室溫冷軋（軋制量 ~ 92%）結合 675 ℃ 退火 30 min的工藝方法，成功制備了具有完全再結晶結構超細晶高熵合金，平均晶粒尺寸為 650 ± 150 nm，其微觀結構如圖1所示。TEM 照片顯示晶粒內并沒有明顯位錯缺陷存在，與嚴重塑性變形制備的超細晶組織形成明顯對比。

▲ 圖1 再結晶超細晶高熵合金的顯微組織

▲ 圖2 再結晶超細晶高熵合金的拉伸力學性能

該超細晶高熵合金室溫下的屈服強度和抗拉強度分別高達 798 ± 13 MPa和 887 ± 16MPa，且保持著 26 ± 1 % 的均勻延伸率。液氮溫度下，超高的屈服強度和抗拉強度分別為 1240 ± 15 MPa和 1460 ± 18 MPa，超高的均勻延伸率為 41 ± 2 %。與常用低溫材料在液氮溫度下的性能相比具有較為明顯的優勢。同時，該超細晶高熵合金在液氮溫度下表現出極其優異的加工硬化能力。

▲ 圖3 不同應變下超細晶高熵合金在 77 K下的組織演變

超細晶高熵合金在 77 K 下具有優異的加工硬化能力，這與低溫拉伸過程中位錯和孿生在內的多種變形機制的激發有關。在較低應變下，平面型位錯滑移占主導位置，且隨著應變量增加，層錯和變形孿晶逐漸被激發，從而保障較高的加工硬化率。微觀組織見圖3。

在 293 K進行拉伸變形時，位錯滑移主導了超細晶高熵合金的變形機制，盡管其層錯能較低，但由于晶粒細化導致的臨界孿生應力提升，變形孿晶并沒有被激發。但當變形溫度從 293 K下降到 77 K時，出現了由位錯滑移為主的單一變形機制向由位錯、層錯和變形孿晶為主的多級變形機制轉變。正是這種多級變形機制在低溫下持續激發使得超細晶高熵合金表現出極其優異的低溫強韌性。變形機制示意圖見圖4。