重磅!浙大&北科大等《MT》IF=26.416:局部化學(xué)波動(dòng)誘導(dǎo)高熵合金延展性大幅提高!
導(dǎo)讀:高熵合金(HEAs)為發(fā)現(xiàn)未被探索的力學(xué)性能和變形機(jī)制開辟了新的視野。局部化學(xué)波動(dòng)(LCFs)在HEAs中被發(fā)現(xiàn)對(duì)其機(jī)械性能有顯著的影響,但其根本原因尚不清楚。本文利用原位透射電子顯微鏡直接動(dòng)態(tài)觀察了在加載下,在延性體心立方(BCC) HfNbTiZr HEA中LCFs和位錯(cuò)之間的相互作用。由于位錯(cuò)相互作用的強(qiáng)烈促進(jìn),LCFs誘導(dǎo)的位錯(cuò)釘扎不僅有助于強(qiáng)度的增加,而且有助于延展性的增加。該研究結(jié)果不僅有助于對(duì)高溫合金的變形機(jī)理的理解,而且為延性高溫合金的設(shè)計(jì)提供了新的視角。
高熵合金(HEAs)是一類多主元等摩爾或近等摩爾比的固溶體,因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能而受到人們的廣泛關(guān)注。特別是,由于它們的熵貢獻(xiàn),HEAs可以在高溫下保持穩(wěn)定。例如,動(dòng)態(tài)重結(jié)晶誘導(dǎo)的BCC Al1.2CrFeCoNi HEA具有較強(qiáng)的耐高溫軟化性能,這表明HEAs,特別是BCC HEAs,可以用于高溫應(yīng)用。然而,由于非密排的 BCC 結(jié)構(gòu)和嚴(yán)重扭曲的晶格,BCC HEA 中的脫位運(yùn)動(dòng)需要克服高晶格阻力和雙扭結(jié)的高激活屏障, 導(dǎo)致較低的室溫延展性,從而阻礙了BCC HEA的廣泛使用。
此外,局部化學(xué)波動(dòng)(LCFs)被認(rèn)為是HEAs的一個(gè)共同特征,并被認(rèn)為影響位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)。這類LCFs引起了局部廣義層錯(cuò)能和晶格電阻的變化,而這些變化與塑性變形行為有關(guān)。最近有報(bào)道稱,通過(guò)調(diào)節(jié)LCFs,HEAs的強(qiáng)度和延性同時(shí)得到了提高。在這些HEAs中避免強(qiáng)度-塑性折衷的根本原因歸因于主動(dòng)位錯(cuò)操作行為和增強(qiáng)的LCFs誘導(dǎo)的廣泛應(yīng)變硬化。然而,沒(méi)有直接的證據(jù),特別是LCFs與形變載體(如位錯(cuò))之間相互作用機(jī)制的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。也就是說(shuō),深入了解LCFs對(duì)位錯(cuò)形核和操作的影響,對(duì)于啟發(fā)延性BCC HEA合金設(shè)計(jì)新思路具有重要意義。
在此,浙江大學(xué)王宏濤教授團(tuán)隊(duì)和北科大呂昭平教授團(tuán)隊(duì)等人以等摩爾BCC型HfNbTiZr合金為研究對(duì)象,研究了位錯(cuò)形核和雙交叉滑移機(jī)制。在透射電鏡內(nèi)進(jìn)行了一系列原位應(yīng)變測(cè)試,以可視化位錯(cuò)和LCFs之間的相互作用。通過(guò)TEM原位拉伸實(shí)驗(yàn),研究了LCFs引起的頻繁位錯(cuò)釘扎、局部雙交叉滑移和位錯(cuò)倍增現(xiàn)象。結(jié)果表明,由LCFs引起的位錯(cuò)釘扎頻繁發(fā)生,并由此產(chǎn)生的局部雙交叉滑移使位錯(cuò)分布在不同的原子平面上,從而使HfNbTiZr BCC HEA具有較高的延展性。相關(guān)研究成果以題“Local chemical fluctuation mediated ductility in body-centered-cubic high-entropy alloys”發(fā)表在 Materialia today上。
鏈接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121000845

塊狀HINbTiZr HEA試樣延展性可達(dá)13.1%,斷裂強(qiáng)度為865 MPa,BCC HEA的良好延展性是屈服后的強(qiáng)應(yīng)變硬化造成的,BCC HNbTiZr不包含二次相,其變形不涉及任何相變。眾所周知,LCFs對(duì)HEAs的強(qiáng)度和延性有顯著的影響。在這里,我們使用HAADF-STEM和APT來(lái)可視化HINbTiZr HEA中的LCFs。圖la顯示了鑄態(tài)HINbTiZr HEA的HAADF-STEM圖像,并注意到其對(duì)比度是不均勻的。圖1bl -b2分別為圖1a中藍(lán)色和紅色正方形區(qū)域?qū)?yīng)的強(qiáng)度線剖面圖。一些原子柱的強(qiáng)度急劇上升。

圖1 HfNbTiZr HEA中的局部化學(xué)波動(dòng)。(a)鑄態(tài)HfNbTiZr HEA的高分辨率高角度環(huán)形暗場(chǎng)(HAADF)掃描透射電子顯微鏡(STEM)圖像。(b1-2) a中藍(lán)色和紅色正方形區(qū)域的強(qiáng)度線輪廓,由數(shù)字顯微軟件的標(biāo)準(zhǔn)工具獲得。原子探針層析成像三維重建的鑄態(tài)HfNbTiZr HEA樣品,其等成分表面的閾值為30 at% Hf (c)和26 at% Ti (d),突出了HfNbTiZr HEA中富Hf和富Ti團(tuán)簇。富hf (e1)和富ti (e2)團(tuán)簇的組成表面元素濃度分布。

圖S2。大塊HENbTiZr高熵合金的典型拉伸真應(yīng)力-應(yīng)變曲線?(HEA)。

圖2 位錯(cuò)釘扎。(a)位錯(cuò)的初始構(gòu)型1。(b)第115秒時(shí)因梗阻脫位。(c) 540秒時(shí)釘住位錯(cuò)的臨界斷裂形態(tài)。(d)位錯(cuò)1在第550秒脫出,留下一個(gè)小的位錯(cuò)環(huán)。

圖3 釘扎誘導(dǎo)滑移。(a和b)位錯(cuò)2被障礙物固定,留下一個(gè)標(biāo)記為L(zhǎng)1和L2的小位錯(cuò)環(huán)。(c) L1和L2展開。(d) L3與位錯(cuò)2在同一滑移面上形成并擴(kuò)張。

圖4 LCF誘導(dǎo)釘扎。(a)一個(gè)固定位錯(cuò)的低放大亮度場(chǎng)(BF)掃描透射電子顯微鏡(STEM)圖像。(b) (a)中正方形區(qū)域?qū)?yīng)的高分辨率HAADF-STEM圖像。(c) (b)中藍(lán)色正方形區(qū)域的強(qiáng)度線剖面圖,插圖為相應(yīng)放大的HAADF-STEM圖像。(d) (b)的幾何相分析(GPA)顯示了釘扎點(diǎn)周圍的應(yīng)變波動(dòng)

圖5 局部雙交叉滑移引起的平面滑移的空間分布和伴隨的釘扎引起的位錯(cuò)滑移。(a)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所留下的波狀滑移軌跡(黃色虛線所勾勒)。(b)位錯(cuò)3和位錯(cuò)4的滑移軌跡重合。(c)位錯(cuò)4的滑移軌跡偏離位錯(cuò)3的滑移軌跡。(d)偏離滑移軌跡的放大圖像,顯示兩個(gè)原子平面的平面滑移由交叉滑移面連接。(e1-5)在HfNbTiZr BCC HEA中,由交叉滑移輔助的釘扎作用增強(qiáng)了位錯(cuò)的增殖,使平面滑移和位錯(cuò)增殖事件在空間上分布。
綜上所述,本文采用原位TEM應(yīng)變來(lái)研究延展BCC HfNbTiZr HEA的變形行為。研究結(jié)果明確表明,LCF 在此 BCC HEA 中誘導(dǎo)錯(cuò)位固定、滑移和交叉滑動(dòng)。LCF 引起的固定不僅增加了脫位運(yùn)動(dòng)屏障,還刺激了錯(cuò)位增殖。局部雙交叉滑移使錯(cuò)位滑移發(fā)生于各種平面上,有效緩解了局部應(yīng)變。 APT和 STEM 證明的 LCF是這種主動(dòng)脫位行為和這種特定 BCC HEA 的體面延展性的起源。暴露的變形機(jī)制可能為延展性BCC耐火材料 HE 的設(shè)計(jì)和優(yōu)化開辟一條新途徑
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標(biāo)簽: 高熵合金, 延性體心立方(BCC) , 高熵合金延展性
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