0.5K！首次報道一種中熵合金極低溫下力學性能！
2021-10-29 17:09:34
作者： 材料科學與工程 來源： 材料科學與工程
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日前，來自韓國浦項理工大學的Hyoung Seop Kim等研究者，報道了一種中熵合金從室溫直到0.5K低溫下的力學和微觀結構特征。相關論文以題為“Deformation behaviorof a Co-Cr-Fe-Ni-Mo medium-entropy alloy at extremely low temperatures”發表在Materials Today上。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121002789
在過去的二十年中，人們開發出了新的高、中熵合金（HEAs和MEAs），這一領域的研究正在蓬勃發展。HEAs/MEAs的定義一般是根據合金的構型熵來定義的。在這些材料中，面心立方（FCC） HEAs/MEAs，在低溫下表現出優異的力學性能，這是由于缺陷、變形誘發孿晶和/或變形誘發馬氏體相變（DIMT）的強化作用。特別是，通過化學成分和變形溫度控制相穩定性的DIMT的“亞穩態工程”方法已廣泛應用于新型HEAs/MEAs的設計。近年來，人們研制出了在77 K下，具有良好應變硬化和抗拉強度特性的亞穩態亞鐵MEAs。這些性質，被認為是FCC到體心立方（BCC）晶體結構的DIMT的結果。
在更低溫度下，對HEAs/MEAs的力學響應的興趣，是由它們在外層空間應用結構中的潛在用途驅動的。注意，與宇宙微波背景有關的外層空間的平均溫度是2.725 K。
在此，研究者報道了雙相MEA Co17.5Cr12.5Fe55Ni10Mo5（原子百分比，at %， Mo5），從室溫至0.5 K的寬溫度范圍下的力學性能和變形誘導的組織演變。這是關于兩相HEA/MEA，首次報道了在這個創紀錄的低溫下的力學響應，它補充了在0.5 K下單相HEA和MEA的稀缺數據。在研究的整個溫度范圍內，該合金表現出優異的強度和塑性，并具有較高的應變硬化速率。其屈服強度、抗拉強度、應變硬化能力和吸收的機械能等性能，均優于大多數低溫合金和HEAs。在考慮的極低溫度區間（0.5-4.2 K）內，該合金表現出幾個不同尋常的特征，包括屈服強度和拉伸延性的溫度依賴異常，不連續塑性變形（DPF），以及變形誘發馬氏體轉變傾向的變化等。
圖1 Mo5合金的初始組織和低溫力學性能。
圖2 低溫變形Mo5合金的EBSD相圖。
圖3 Mo5合金在4.2 K下變形的TEM圖像。
圖4 BCC相分數和位錯密度隨真應變、、和溫度的變化。
圖5 Mo5合金在77 K-0.5 K變形后斷口的SEM圖像。
圖6 采用TEM雙束成像技術分析了4.2K變形Mo5合金的位錯特征。
圖7 Mo5合金的熱力學計算結果和主要的溫度依賴機制。
圖8 Mo5合金的力學特性與其他HEAs和MEAs（文獻匯編）以及傳統FCC合金的力學特性相比較。
綜上所述，研究者系統研究了極低變形溫度（0.5 K）下Mo5合金的力學性能和微觀組織演變。基于材料在所研究溫度下的熱-力學耦合假設，闡明了馬氏體分數的特殊趨勢和位錯密度的非單調演化等不尋常的特征。可以得出以下結論：
1. 中熵合金Mo5在液氮和液氦溫度下表現出優異的力學性能。
2. 由于由FCC向BCC的變形誘發馬氏體轉變，或者在較小程度上是HCP晶體結構，Mo5合金具有優異的低溫力學性能，包括高屈服強度（1075 MPa）和良好的應變硬化能力，在4.2 K時，抗拉強度高達1651 MPa。
3. 首次在0.5 K的低溫條件下研究了雙相MEA的力學性能。
4. 在4.2 K以下的溫度范圍內，發現了四種特征現象，即非連續塑性變形、屈服強度和塑性的溫度異常和變形誘發馬氏體相變的溫度依賴異常。
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