{首页主词},&

高熵合金是潛在的沖擊防護領域的新寵

2019-12-20 10:22:05 作者：非晶中國來源：非晶中國分享至：

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

圖片來源：非晶中國大數(shù)據(jù)庫

極端條件存在于航空航天，核反應堆，國防軍工等重要領域，不斷對材料的品質(zhì)提出更高的要求。要求材料服役在諸如高溫、低溫、高速碰撞、強輻照、強腐蝕等極端環(huán)境中，能夠保持足夠的強度和韌性、穩(wěn)定性和完整性等。目前能夠在這些極端工況下服役的傳統(tǒng)材料難以實現(xiàn)材料的綜合性目標。此外，目前服役材料的性能也有待進一步提高。

高熵合金的應運而生，不僅在材料科學領域開拓了更廣闊的認知空間，單從相結構形成、位錯動力學方面就給了我們新的認知挑戰(zhàn)；而且在材料性能方面，尤其是復雜條件下的綜合性能方面給出了巨大的探索空間。從青銅時期的一兩種元素、稀釋混合，到不銹鋼、超合金、非晶合金的多組元、高濃度混合，高熵合金的高濃度組元似乎是合金發(fā)展的主流方向，其成分開發(fā)需要不斷拓展，潛在的應用性能更需要不斷挖掘。然而，目前已報到的性能主要集中在高溫、低溫、準靜態(tài)服役條件下，對其沖擊性能的表征，沖擊下變形機制的探索是不足的，而高熵合金在沖擊防護領域的工作也需要不斷推進和深化。

近日，太原理工大研究人員基于分離式霍普金森拉桿實驗裝置，研究了典型多組元高濃度的面心立方高熵合金的沖擊拉伸行為，發(fā)現(xiàn)了強度和塑性同時增強現(xiàn)象，即強度明顯提升的同時，韌性也有增加，見圖1。這代表了這一類高熵合金有很強的沖擊防護領域的應用前景。

基于此發(fā)現(xiàn)，研究人員調(diào)研了傳統(tǒng)材料在沖擊領域的性能報道，從高熵合金顯著的特點----多組元高濃縮固溶體出發(fā)，提出化學短程有序這一在多組元高濃縮固溶體中較普遍存在的原子排布特征在材料熱激活變形中起到重要的作用，另外這一化學短程有序在位錯的聲子曳引方面也起到一定作用，見圖1。結合此推論可以較好地解釋廣泛的材料群在強度的應變率敏感研究中的實驗結果，見圖3。

同時，研究人員通過微觀結構表征，發(fā)現(xiàn)高速沖擊與低溫在合金變形中有接近的微結構演化特征，例如高速沖擊下的孿晶含量更高、更加密集，位錯特征呈現(xiàn)平面滑移特征；而準靜態(tài)下主要是波狀滑移的位錯胞特征，見圖2。這些顯著微結構差異決定了合金在加工硬化方面的差異?；诖宋⒔Y構差異特征，研究人員通過將位錯密度、孿晶含量等微結構信息作為內(nèi)稟量，通過模型建立成功地描述了在寬泛應變率下性能與微結構演化之間的關系，見圖2。

此外，研究人員基于較全面的文獻分析，給出低溫、高應變率下合金韌性提升的建議：即“適度孿晶/相變”原則，見圖3。孿晶、相變可以極大地提升加工硬化能力，但如果在高速或者低溫變形下孿晶、相變增長過快會導致材料的過早破壞，而在高速加載下由于絕熱溫升引起的孿晶與相變被抑制反而使加工硬化變?nèi)?。作者在文章中也分析給出高熵合金能勝任這一“適度孿晶原則”的原因在于短程有序對孿晶過快增長的抑制作用，以及已經(jīng)被報道的高熵合金的抗絕熱軟化的特點。

綜上，該項工作發(fā)現(xiàn)了高熵合金在極端工況下服役的另一個方面---沖擊防護領域的優(yōu)異性能，并提出多組元高濃縮導致的化學短程有序在合金熱激活與聲子曳引變形機制中的關鍵作用。并且結合微觀機理分析給出沖擊、低溫等工況下服役材料設計的初步指導。

相關研究成果近日發(fā)表于材料力學期刊International Journal of Plasticity, （Int. J. Plast. 124（2020）， 226-246）。第一作者為博士生張團衛(wèi)，通訊作者為王志華教授和喬珺威教授。文章鏈接：Simultaneous enhancement of strength and ductility in a NiCoCrFe high-entropy alloy upon dynamic tension: Micromechanism and constitutive modeling.“ International Journal of Plasticity 124（2020）， 226-246.https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.08.013

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

圖1. NiCoCrFe高熵合金在準靜態(tài)（10-3/s）和動態(tài)（103/s）拉伸下的性能特征：（a）在兩種條件下的真應力應變曲線；（b）在不同應變下的應變率敏感度，可以發(fā)現(xiàn)高熵合金擁有高的應變率敏感度；（c）和（d）分別代表熱激活模型結合聲子曳引效應在寬泛溫度和應變率范圍內(nèi)對屈服強度變化的預測。

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

圖2. NiCoCrFe高熵合金在準靜態(tài)（10-3/s）和動態(tài)（103/s）拉伸下的主要微結構特征及結合微結構信息的模型對寬泛應變率下加工硬化行為的預測；（a）和（b）分別為準靜態(tài)和動態(tài)下的微結構（位錯胞和孿晶）特征；（c）和（d）為考慮微結構信息的模型對加工硬化的預測。