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上海大學(xué)首篇《Science》誕生！高熵合金領(lǐng)域取得重大進(jìn)展

2021-08-20 11:28:15 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

日前，上海大學(xué)鐘云波教授團(tuán)隊聯(lián)合北京科技大學(xué)王沿東團(tuán)隊在“共晶魚骨高熵合金的多級裂紋緩沖效應(yīng)及其輔助的超高塑韌性”方面取得重大進(jìn)展，以Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys為題，在國際頂尖期刊《Science》上在線發(fā)表。其中上海大學(xué)為第一署名單位，上海大學(xué)鐘云波教授、德國馬克斯-普朗克研究所D. Rabbe教授和北京科技大學(xué)的王沿東教授為共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1126/science.abf6986

在人造延展性材料中寬容裂紋是違反直覺的，因為這些廣泛的微觀破壞經(jīng)常會觸發(fā)材料的過早失效，因而伴隨著令人失望的低拉伸塑性。在本研究中，一種新型的共晶高熵合金材料中打破了這一趨勢，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)這種材料被可控的凝固成類似魚骨的多級共晶結(jié)構(gòu)時，高密度裂紋不僅不會惡化性能反而可以做為一種有效的應(yīng)變補(bǔ)償者去改善材料塑性。這一突破源于仿生激發(fā)的多級裂紋緩沖效應(yīng)，其允許多重微裂紋的廣泛成核，但在隨后的巨大應(yīng)變范圍內(nèi)顯著抑制了它們的災(zāi)難性生長和破壞。結(jié)果，在不犧牲強(qiáng)度的情況下，這種共晶魚骨材料獲得了高的斷裂韌性，特別是其延伸率達(dá)到了前所未有的50%，是傳統(tǒng)鑄態(tài)共晶材料的3倍。

圖1 （A-C）傳統(tǒng)鑄態(tài)的共晶高熵合金展現(xiàn)出典型的雙相（B2/L12）共晶層片結(jié)構(gòu)，瞬態(tài)凝固時通過共晶轉(zhuǎn)變獲得，其相鄰晶粒間的層片生長方向明顯不同。（D-I）定向凝固的共晶魚骨高熵合金展現(xiàn)出沿定向凝固（箭頭）方向定向生長的柱狀晶結(jié)構(gòu)。

在這些柱狀晶中，他們觀察到組織形貌明顯不同的兩種共晶團(tuán)（eutectic colony）：晶粒中間的是沿定向凝固方向生長的B2/L12共晶層片（alignedeutectic colony，AEC），邊緣是與定向凝固方向呈30°~60°夾角的分支B2/L12共晶層片（branched eutecticcolony，BEC）。基于這些特征，這種定向凝固的EHEA呈現(xiàn)出一種新型的多級組裝的仿生魚骨結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)這種仿生魚骨結(jié)構(gòu)是由胞狀固-液界面沿定向凝固方向定向生長形成的，凝固時兩種共晶團(tuán)（AEC & BEC）中的層片均垂直于胞狀界面生長。

圖2 室溫拉伸曲線

室溫拉伸曲線顯示定向凝固的多級魚骨結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了顯著改善的拉伸塑性，相應(yīng)的均勻延伸率從傳統(tǒng)共晶高熵合金的~16%增加到了目前的~50%。沒有犧牲強(qiáng)度，反而是相比傳統(tǒng)鑄態(tài)試樣屈服強(qiáng)度提高了150 MPa。雖然定向凝固的魚骨高熵合金含有大量的高硬度、低延展性的B2相（~41 vol%），但卻擁有50%的超高均勻延伸率。這樣高的延伸率可媲美于廣泛研究的、高延展性的、完全均勻化的面心立方高熵材料。因此，通過定向凝固制備的多級魚骨結(jié)構(gòu)所實現(xiàn)的強(qiáng)塑性匹配（尤其是均勻延性）顯著優(yōu)于任何其它鑄態(tài)共晶和近共晶高熵合金材料。

圖3 變形和斷裂機(jī)制分析

通過對兩種材料的變形和斷裂機(jī)制的詳細(xì)表征，他們發(fā)現(xiàn)：定向凝固材料拉伸塑性的顯著提高歸因于其多級的魚骨結(jié)構(gòu)和這種結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的強(qiáng)裂紋緩沖效應(yīng)。定向凝固的魚骨結(jié)構(gòu)可以誘發(fā)低塑性B2層片中多重微裂紋穩(wěn)定的、持續(xù)的、晶體學(xué)性的形核和生長。然后，相鄰高韌性L12層片的動態(tài)應(yīng)變硬化行為可以貢獻(xiàn)顯著的裂紋緩沖能力，這有效避免了裂紋的災(zāi)難性生長和破壞。因此，高密度裂紋不僅不會惡化性能反而可以做為一種有效的應(yīng)變補(bǔ)償體去彌補(bǔ)B2層片低的拉伸塑性，促使試樣整體具有超高的延伸率。

圖4 L12層片中動態(tài)的微結(jié)構(gòu)細(xì)化（A-F），原位的高能同步輻射試驗（G和H）

L12層片中動態(tài)的微結(jié)構(gòu)細(xì)化（A-F）可以誘導(dǎo)強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力，因而致使其具有超優(yōu)的裂紋鈍化和緩沖能力，防止裂紋造成的材料過早失效。此外，結(jié)合原位的高能同步輻射試驗（G和H），他們發(fā)現(xiàn)L12層片強(qiáng)的動態(tài)應(yīng)變硬化行為可以貢獻(xiàn)高的載荷承擔(dān)能力，這有效抵消了B2層片中微裂紋引起的潛在軟化效應(yīng)，即拉伸曲線中常見的由微裂紋引起的應(yīng)力下降事件。

總的來說，本文提出并設(shè)計了一種多級的仿生魚骨共晶結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)兼顧了高的裂紋寬容能力和高的均勻延伸率；通過構(gòu)筑多級的魚骨共晶結(jié)構(gòu)，使材料具有超優(yōu)的塑性——不是通過避免裂紋而是通過引導(dǎo)和緩沖裂紋實現(xiàn)；這種微結(jié)構(gòu)設(shè)計方法也可以在其它由軟硬相組成的塊體材料中實現(xiàn)，對于指導(dǎo)更廣泛的共晶型高熵/傳統(tǒng)合金的性能改善具有顯著的實際意義。

值得一提的是，截止目前，上海大學(xué)鐘云波團(tuán)隊在高熵合金領(lǐng)域已發(fā)表了多項頂刊研究成果，例如：

Enhanced strength–ductility synergy in ultrafine grained eutectic high-entropy alloys by inheriting microstructural lamellae （Nature Communications，doi.org/10.1038/s41467-019-08460-2）

Multistage work hardening assisted by multi-type twinning in ultrafine-grained heterostructural eutectic high-entropy alloys （Materials Today, doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.029）

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