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六校聯(lián)合發(fā)表：通過雙相超細(xì)晶組織設(shè)計具有超強(qiáng)韌性的中熵合金！

2022-05-07 15:20:37 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

長期以來，在各種工程應(yīng)用中，包括運輸、航空航天和能源部門，一直非常需要從材料方面中獲得高強(qiáng)度和出色延展性的卓越協(xié)同作用。但是，大多數(shù)提高強(qiáng)度的冶金策略通常是以降低延展性為代價的，這種普遍現(xiàn)象被稱為強(qiáng)度-延展性權(quán)衡。以前的工作主要集中在工程缺陷，如晶界、相干孿晶間界、高密度位錯，或調(diào)整傳統(tǒng)金屬材料中的高密度第二納米相，可以在一定程度上有效地解決這種權(quán)衡。盡管如此，傳統(tǒng)的基于single-principle-element體系的冶金策略已經(jīng)接近其進(jìn)一步提高性能的極限，特別是如何使超高強(qiáng)度合金獲得良好的延展性至今尚未得到很好的解決。

令人興奮的是，含有多主元的高熵合金（HEA）和中熵合金（MEA）的新型材料為調(diào)整合金的成分和微觀結(jié)構(gòu)開辟了新的空間，為克服這一瓶頸提供了新的機(jī)會。具有面心立方（FCC）、體心立方（BCC）、六方密排（HCP）和正交晶體結(jié)構(gòu)的 HEA 和 MEA 最近已被證實。然而，HEA和MEA的單相固溶體通常提供有限的強(qiáng)度，因此有必要引入其他有效的強(qiáng)化機(jī)制來實現(xiàn)高強(qiáng)度。幸運的是，一些旨在引入獨特的二次強(qiáng)化-增韌增強(qiáng)材料的多組分設(shè)計策略已經(jīng)實現(xiàn)了卓越的強(qiáng)度-延展性組合，例如在 FCC+L12 HEA 、難熔 HEA 中的有序間隙原子復(fù)合體，以及亞穩(wěn)態(tài)雙相 HEA 或 MEA 中的相變誘導(dǎo)可塑性（TRIP）效應(yīng)。同時，固有的嚴(yán)重晶格畸變和沒有晶體缺陷的UFG結(jié)構(gòu)（1 ?m）也是有效改善單相均質(zhì)HEA和MEA的強(qiáng)度-延展性關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)。問題是這種單一的強(qiáng)化機(jī)制只能獲得適度的強(qiáng)度提升。因此，如何打破 HEA 和 MEA 中的強(qiáng)度-延展性權(quán)衡仍然是存在的，新的改進(jìn)策略是非常歡迎的。

在此，中科院高壓科學(xué)與技術(shù)高級研究中心聯(lián)合東北大學(xué)、燕山大學(xué)、北京科技大學(xué)等高校聯(lián)合設(shè)計了一種新型的具有完全再結(jié)晶的 FCC/HCP 雙相 UFG 微觀結(jié)構(gòu)的 V0.5Cr0.5CoNi MEA，以實現(xiàn)屈服強(qiáng)度（1476 MPa）和均勻伸長率（13.2%）之間的最佳平衡，其中納米級斷層 HCP 薄片在退火過程中，具有局部化學(xué)有序性（LCO）的 FCC 結(jié)構(gòu)通過 Suzuki 機(jī)制（即 V 向 SFs 的偏析）從變形的 FCC 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并均勻地嵌入到 UFG FCC 晶粒中。屈服強(qiáng)度和均勻伸長率之間的平衡可歸因于獨特的完全再結(jié)晶雙相UFG微觀結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)實現(xiàn)顯著的細(xì)晶強(qiáng)化和納米尺度的HCP相強(qiáng)化，允許高密度位錯的存儲，激活堆垛層錯（SFs），并通過釋放 FCC/HCP 邊界處的應(yīng)力集中來避免過早斷裂。特殊的雙相 UFG 架構(gòu)可以通過包括冷軋（CR）和隨后的中溫退火（725 °C/1 h）在內(nèi)的簡單制造路線獲得的。FCC/HCP雙相UFG結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略已被證明有效地克服了強(qiáng)度-延展性的權(quán)衡，因此，它為開發(fā)在惡劣條件下使用的有前途的重載結(jié)構(gòu)材料開辟了一條新的途徑。相關(guān)研究成果以“Towards ultrastrong and ductile medium-entropy alloy through dual-phase ultrafine-grained architecture”發(fā)表于Journal of materials science and technology上。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222003565

圖 1 所示為不同處理狀態(tài)合金的 XRD 圖譜。（a） CR、CR725 和 CR900 的 XRD 圖譜。（b） CR725 的 XRD 圖案的 Lebail 細(xì)化。

圖 2.所示為CR 的微觀結(jié)構(gòu)。（a） SEM-BSE 圖像顯示典型的變形微觀結(jié)構(gòu)。（b） TEM-BF 圖像顯示高密度位錯和來自一個晶粒的相應(yīng) SAED。（c）變形晶粒的 HRTEM 圖像，顯示 FCC 晶粒內(nèi)有大量的 SF 束。插圖是對應(yīng)于黃色框的快速傅里葉變換（FFT）模式。（d）顯示具有代表性 SF的 HAADF-STEM 圖像。

圖 3所示：CR725 中的完全再結(jié)晶的雙相 UFG 結(jié)構(gòu)。（a）顯示 FCC/HCP 雙相 UFG 結(jié)構(gòu)的 TKD 相圖。黑線和黃線分別與高角度邊界和孿晶界有關(guān)。（b） TKD 逆極圖（IPF）。（c）顯示低密度位錯的雙相 UFG 結(jié)構(gòu)的 TEM-BF 圖像。（d） FCC/HCP 雙相區(qū)的 HRTEM 圖像。插圖是 HCP 薄片中由青色框標(biāo)記的區(qū)域的 FFT 圖案。（e） FCC 固體基質(zhì)和 HCP 溶液薄片的相應(yīng) SAED 圖案。（f） FCC/HCP雙相區(qū)原子排列的HAADF-STEM圖像。

圖4所示：CR900的微觀結(jié)構(gòu)。（a） EBSD逆極圖（EBSD- IPF）圖。（b）顯示FCC單相FG組織的EBSD相圖。黑線和黃線分別與高角邊界和孿晶界有關(guān)。

表 1：CR、CR725 和 CR900 的相組成、體積分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸（層狀厚度）。

圖5所示：雙相UFG結(jié)構(gòu)中FCC基體和HCP片層對應(yīng)的化學(xué)組成。（a） FCC/HCP雙相UFG結(jié)構(gòu)的STEM圖像。（b）與（a）相同區(qū)域的STEM-EDS圖，分別顯示了V、Cr、Co和Ni在兩相中的分布。（c）（a）中紅框區(qū)域的放大圖和黃線所選區(qū)域?qū)?yīng)的EDS組成譜圖。

圖 6所示：（a） CR、CR725 和 CR900 在室溫下的拉伸性能。插圖顯示了 CR725 的相應(yīng)應(yīng)變硬化率（dσ/dε）。（b）室溫下典型 HEA 和 MEA 的 εUE 與 σYS 的關(guān)系圖。

表 2所示：分別為 CR、CR725 和 CR900 的拉伸性能。

圖7所示：對于（a, c） VxCr1-xCoNi （x = 0,0.5和1）合金和（b, d） V14.35Cr21.12 Co31.84Ni32.69 （FCC相的測量成分，稱為V14.35）， V0.5Cr0.5CoNi（名義成分，稱為V16.67）和V19.45Cr12.48Co33.31Ni34.76（測量的HCP相組成，稱為V19.45）在 0 K 時的理論廣義堆垛層錯能（SFE）。γisf、γusf和γutf分別表示本征SFE、非穩(wěn)定SFE和不穩(wěn)定孿晶能。（c）及（d）分別為（a）及（b）紫色方框所標(biāo)示的局部區(qū)域的放大圖。

圖8所示：0 K時，V0.5Cr0.5CoNi合金順磁FCC （FCC PM）與順磁HCP （HCP PM）結(jié)構(gòu)相的相對總能量隨Wigner-Seitz半徑的變化。

圖 9所示： CR725 的塑性變形機(jī)制。（a）拉伸斷裂后的 TEM-BF 圖像。（b）對應(yīng)于（a）中 1 號 FCC 晶粒和 2 號 HCP 晶粒的 SAED 圖案。HCP 階段的 SAED 中的插圖顯示了對應(yīng)于藍(lán)色框的放大視圖。（c）對應(yīng)于（a）中區(qū)域的另一個電子束入射方向的視圖。插圖顯示了 1 號 FCC 晶粒的相應(yīng) SAED。（d）（c）中黃色框勾勒出的相同區(qū)域的放大圖。（e） SFs 的 HRTEM 圖像。插圖顯示了對應(yīng)于青色框的 FFT 圖像。（f）相應(yīng)的快速傅里葉逆變換（IFFT）圖像，顯示了具有代表性的 SF。

總之，我們在這里展示了隨機(jī)多主元 V0.5Cr0.5CoNi 固溶體可以通過簡單的制造調(diào)整為具有獨特的完全再結(jié)晶 FCC/HCP 雙相 UFG 結(jié)構(gòu)以及屈服強(qiáng)度和均勻伸長率的優(yōu)異組合路線。合理的化學(xué)成分調(diào)節(jié)導(dǎo)致低但合適的SFE，這有利于FCC基體通過Suzuki機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)橛腥毕莸腍CP薄片，通過V的輕微富集在HCP溶液中形成LCO，以及由于在CR725中動力學(xué)反應(yīng)遲滯而形成的UFG微觀結(jié)構(gòu)。屈服強(qiáng)度和均勻伸長率的組合主要源于細(xì)晶強(qiáng)化、納米級 HCP 相以及通過位錯和 SFs 激活多種硬化機(jī)理由。獨特的雙相UFG架構(gòu)的卓越力學(xué)性能為航空航天、能源工業(yè)和交通運輸?shù)臉O端應(yīng)用提供了巨大的潛力，并且其設(shè)計理念可以推廣到指導(dǎo)其他具有優(yōu)異性能的合金系統(tǒng)的設(shè)計。

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