《Acta Materialia》：CoCrFeNi高熵合金的動態變形行為和機理！
2024-01-04 15:22:06
作者：材料基 來源：材料基
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在過去的十年中，通過將接近等原子比（5%至35%）的多種元素（四種或更多）合金化到固溶體相中，提出并合成了一類新型合金，被稱為高熵合金（HEA）。這種HEA策略打破了傳統合金設計的局限性，大大拓寬了合金的設計空間。通過調整元素的成分或濃度，科學家可以調節 HEA 的微觀結構，以進一步實現所需的機械性能。 HEA 表現出卓越的機械性能，如高強度、優異的延展性、高斷裂韌性和良好的熱穩定性。由于其獨特的微觀結構和化學成分，高熵合金（HEA）表現出卓越的機械性能，如高強度、優異的延展性和良好的熱穩定性。然而，迄今為止，關于 HEA 動態行為的研究還很有限。來自北京理工大學和清華大學的學者通過結合力學測試和分子動力學模擬，系統地研究了CoCrFeNi HEA及其連接在動態加載下的力學行為和變形機制。對多晶CoCrFeNi HEA 樣品在不同應變率下的壓縮測試表明，屈服應力和流動應力均隨應變率的增加而增加，并且由于HEA 的固溶強化和晶格畸變而表現出顯著的應變率敏感性。 CoCrFeNi HEA 的應變率敏感性從低應變率 (5.0×10−5–2.5×103 s−1) 下的 0.010 轉變為高應變率 (2.5×103–6.5×103s−1) 下的 0.333。大規模分子動力學模擬進一步揭示，這種轉變與低應變率下的位錯成核和滑移到高應變率下的大量位錯成核和阻力的塑性變形機制轉變有關。此外，CoCrFeNi HEA 在高應變率下表現出顯著的應變硬化能力，這源于初級和次級納米級孿晶以及孿生孿生和孿生位錯相互作用的形成。我們目前的研究揭示了動態載荷下 HEA 的塑性變形機制，為設計和制造具有優異動態機械性能的 HEA 提供了指導。相關工作以題為“Dynamic deformation behaviors and mechanisms of CoCrFeNi high-entropy alloys”的研究性文章發表在Acta Materialia。圖 1. CoCrFeNi HEA 塊體的微觀結構表征。 (a) HE-XRD 圖案。 (b) 塊狀 CoCrFeNi HEA 的 EBSD 圖圖 2. CoCrFeNi HEA 在不同應變率下的單軸壓縮行為。 (a) 不同應變率下的真應力-真應變曲線。 (b) 5%應變下屈服應力和流動應力隨應變率的變化。 Al、Ni 和 Cu的數據用于比較。 (c) 不同應變下的流動應力隨應變率的變化。 (d) 應變硬化率隨真實應變的變化。圖 3. CoCrFeNi在不同應變速率下變形后的顯微組織。 (a, b) CoCrFeNi HEA 在真實應變為 16.2% 和 28.8%、應變率為 1×10−3 s−1時的 EBSD 圖。 (c, d) CoCrFeNi HEA 在真實應變為 16.2% 和28.8%、應變率為 4.5×103 s−1時的EBSD 圖。變形孿晶產生的孿晶邊界呈藍色。 (e) CoCrFeNi HEA 在不同應變率下真應變為 28.8% 時的取向差角分布。圖 4. CoCrFeNi HEA 的 TEM 圖像，在應變率為4.5×103 s−1時，真實應變為 28.8%。(a, b) 變形 HEA 中的雙束。 (b) 中的插圖顯示了孿晶結構的選定區域電子衍射圖案。圖 5. MD 模擬中 CoCrFeNi HEA 的單軸壓縮。 (a) 具有 4 個晶粒的模擬多晶樣品的初始原子構型。 (b) 模擬樣品在不同應變率下的應力-應變曲線。 (c, d) 屈服應力和流動應力隨應變率的變化。 (e) 應變率為 15.0%、應變率為 2×107 s−1時模擬樣品的原子構型。 (e) 應變率為 15.2%、應變率為8×109 s−1時模擬樣品的原子構型。白色虛線表示多個納米級孿晶的孿晶邊界。白色實線表示矩陣和孿晶域中的原子排列。圖 6. 模擬樣品在不同應變率下變形過程中的位錯演化。 (a-c) 應變率為 2×107 s−1 時模擬樣品中位錯分布的一系列快照。 (d-f) 應變率為 8×109 s−1時模擬樣品中位錯分布的一系列快照。 (g) 在不同應變率下施加應變時位錯密度的演變。圖 7. 移動位錯密度和平均位錯速度隨應變率的變化。圖 8. CoCrFeNi HEA 在不同應變率下真實應變為 16.2% 的肯爾平均取向誤差 (KAM) 圖。 (a) 應變率為1×10−3 s−1時 CoCrFeNi HEA 的 KAM 圖。 (b) 應變率為4.5×103 s−1時 CoCrFeNi HEA 的 KAM 圖。高角度晶界以黑線顯示。圖 9. 根據 MD 模擬，在應變率為 8×109 s−1的變形樣品中形成分層孿晶。 (a) 晶界的位錯發射。 (b-c) 初級孿晶 (T1) 的成核和生長。 (d-e) 二次雙胞胎 (T2) 的成核和生長。 (f) 主要雙胞胎和次要雙胞胎之間的相互作用。白色和黃色分別代表主要和次要雙胞胎。總之，本研究通過準靜態/動態壓縮測試研究了 CoCrFeNi HEA 在應變率范圍從 5.0×10−5 s−1到 6.5×103 s−1的變形行為和相關機制。本研究還進行了 MD 模擬來補充實驗并揭示潛在的變形機制。實驗結果表明，隨著應變速率的增加，多晶CoCrFeNi HEA的屈服應力和流動應力均顯著增加。 5%應變下的流變應力的SRS從低應變率下的0.010轉變為高應變率（2.5×103–6.5×103s−1）下的0.333 。實驗分析和MD模擬相結合表明，這種SRS轉變歸因于從低應變率下的位錯成核和滑移到高應變率下的大量位錯成核和位錯阻力的變形機制轉變。此外，在高應變速率下，CoCrFeNi HEA 的應變硬化速率隨應變的變化存在一個平臺，表明高應變速率下具有顯著的應變硬化能力。這種顯著的應變硬化源于初級和次級納米級孿晶以及孿生和孿生位錯相互作用的成核和延伸。本研究結果提供了動態載荷下 HEA 塑性變形的機制見解。
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