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西北工大重磅《Nature》子刊：強(qiáng)度2GPa，延伸率35%！共晶高熵合金取得重大進(jìn)展！

2022-08-15 16:51:34 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：優(yōu)異的延展性不僅對成形至關(guān)重要，而且對強(qiáng)化金屬和合金也至關(guān)重要。迄今為止最廣泛使用的共晶合金在先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料中受到了延性下降的問題。本文報告了一種獨特的相選擇再結(jié)晶概念，通過完全觸發(fā)雙相的應(yīng)變硬化能力來克服共晶合金的這一挑戰(zhàn)。我們對共晶高熵合金(EHEA)中兩相的應(yīng)變分配行為進(jìn)行了操作，得到了完全再結(jié)晶的軟相嵌在硬相骨架中的相選擇性再結(jié)晶顯微組織。由此產(chǎn)生的微觀組織消除了弱邊界，充分釋放了EHEA的應(yīng)變硬化能力。我們的相選擇性再結(jié)晶EHEA在真應(yīng)力為~ 2 GPa的情況下獲得了~ 35%的高延性均勻伸長率。這一概念適用于各種具有軟硬相的雙相合金，為傳統(tǒng)共晶合金作為高強(qiáng)度金屬材料開辟了新領(lǐng)域。

共晶合金在人類文明史上占有主導(dǎo)地位例如，農(nóng)業(yè)社會的鑄鐵在現(xiàn)代工業(yè)中鑄造鋁合金共晶高熵合金(EHEAs)等先進(jìn)金屬材料。優(yōu)良的可澆注性，無偏析/缺陷，以及自生的雙相使共晶合金在低成本的量產(chǎn)和平衡的強(qiáng)度-塑性組合方面具有顯著優(yōu)勢。然而，隨著先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的快速發(fā)展，這些優(yōu)勢正在逐漸消失由于共晶合金的變形性能不理想，以及有限的冶金機(jī)制來延展性它們。

共晶合金在單軸拉伸過程中，弱界面(包括硬相的相界(PBs)和晶界(gb))的開裂導(dǎo)致合金過早失效。這種情況導(dǎo)致共晶合金的拉伸伸長率較低，即使它們的相都是應(yīng)變硬化的。延緩裂紋萌生和防止裂紋擴(kuò)展是迄今為止維持共晶合金應(yīng)變硬化的唯一成功途徑: 通過控制凝固過程細(xì)化組織通過熱成形或劇烈塑性變形使兩相再結(jié)晶，然后退火。雖然這些方法延緩了共晶合金的早期斷裂，但由于大量裂紋形核，共晶相的應(yīng)變淬煉性并沒有被充分觸發(fā)，因此獲得超塑性塊狀共晶合金仍然具有挑戰(zhàn)性。

在這項工作中，西北工業(yè)大學(xué)王錦程教授團(tuán)隊在雙相合金韌化方面取得重大進(jìn)展，證明了相選擇再結(jié)晶(PSR)通過充分利用共晶中兩相的應(yīng)變硬化能力來實現(xiàn)超韌性共晶合金。與傳統(tǒng)的策略不同，他們主要專注于通過調(diào)整組成相的再結(jié)晶行為來消除和限制變形過程中的裂紋形核位置。隨著早期裂紋的減少和限制，共晶中兩相優(yōu)異的應(yīng)變硬化能力完全釋放，其拉伸伸長率是鑄態(tài)(AC)和完全再結(jié)晶(FR)共晶合金的兩倍。該組織消除了變形過程中潛在的裂紋源，促進(jìn)合金發(fā)生持續(xù)加工硬化，使其具有高達(dá)35%的均勻延伸率和接近2 GPa的斷裂真應(yīng)力。

相關(guān)研究成果以題“Phase-selective recrystallization makes eutectic high-entropy alloys ultra-ductile”發(fā)表在nature communications上。

鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32444-4

鑒于在PSR中兩相之間的應(yīng)變分配的關(guān)鍵作用，我們進(jìn)一步揭示了應(yīng)變分配行為。由于FCC相的顯微硬度(~ 4.44 GPa)遠(yuǎn)低于B2相(~ 5.67 GPa)，因此其在變形過程中承受更多的應(yīng)變。采用原位μ-DIC技術(shù)對應(yīng)變分配行為進(jìn)行了實驗表征。在拉伸變形過程中，兩相之間存在明顯的應(yīng)變差異(圖4b)。定量分析表明，F(xiàn)CC相的局部von Mises應(yīng)變甚至比B2相高6倍(圖4c)。因此，冷軋可以誘導(dǎo)FCC相產(chǎn)生更多的應(yīng)變能，從而促進(jìn)后續(xù)的單晶再結(jié)晶。

從理論上講，考慮到雙相體系的力學(xué)性質(zhì)，變形過程中各組成相的應(yīng)變分配可以描述為共晶合金及其組成相的強(qiáng)度和加工硬化參數(shù)以及組成相的體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。基于上述參數(shù)，我們提出了一個模型，以找到各種包含軟相和硬相的共晶體系中適合PSR的變形水平。我們進(jìn)一步將PSR加工策略應(yīng)用于工業(yè)A357鑄造鋁合金，以證明其普適性。PSR后伸長率從AC狀態(tài)的~ 8%顯著增加到~ 23%。進(jìn)一步強(qiáng)化后的A357合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)~ 400 MPa，是AC狀態(tài)的兩倍。理論和實驗表明，PSR是一種通用而有力的方法來設(shè)計共晶合金作為高強(qiáng)度金屬材料。

圖1 PSR EHEA的|組織和力學(xué)性能。AC、FR和PSR EHEAs中FCC(上)和B2(下)相的a-c電子背散射衍射(EBSD)反極圖(IPF)圖。插頁顯示相應(yīng)的極圖(PF)映射。d拉力AC、FR和PSR EHEAs的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。e與傳統(tǒng)的AC、FR和UFG EHEAs相比，現(xiàn)有的PSR和進(jìn)一步強(qiáng)化的PSR EHEAs的極限抗拉強(qiáng)度與均勻延伸率。

圖2 PSR EHEA的|斷裂機(jī)制。繪制了AC、FR和PSR EHEAs的應(yīng)變硬化速率曲線。b-d AC、FR和PSR EHEAs的斷裂截面和表面。B2相內(nèi)的微裂紋用黃色箭頭表示。c中的插圖顯示了典型微裂紋周圍B2相的EBSD IPF圖，揭示了裂紋在GB處萌生。d中的insert比較FR和PSR EHEA之間的微裂紋數(shù)量密度，表明PSR EHEA的開裂傾向降低。誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。e、f μ-DIC結(jié)果表明，AC EHEA和PSR EHEA在拉伸變形過程中應(yīng)變局部化嚴(yán)重，PSR EHEA應(yīng)變分布均勻。所有圖像的拉伸方向都是水平的。

圖3 PSR EHEA的|變形機(jī)制。在斷裂的AC EHEA中有一個位錯的亞結(jié)構(gòu)。b、c位錯亞結(jié)構(gòu)分別出現(xiàn)在18%和35%拉伸的PSR EHEAs中。PSR試樣[001]、[011]、[111],分別揭示體心四方(BCT)晶體結(jié)構(gòu)。超晶格用紅色圓圈標(biāo)出。g變形前后晶體結(jié)構(gòu)變化示意圖。

他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了PSR在提高力學(xué)性能方面的巨大優(yōu)勢，并揭示了其獨特的機(jī)制。傳統(tǒng)FR EHEA與現(xiàn)有PSR EHEA的主要區(qū)別在于B2相的非再結(jié)晶狀態(tài)和骨架形態(tài)。PSR的關(guān)鍵在于我們對雙相合金應(yīng)變分配行為的批判性思考:適度變形會在兩相中產(chǎn)生兩種不同的應(yīng)變水平，一種是再結(jié)晶，而另一種只能在后續(xù)熱處理中引起恢復(fù)。附圖10實驗研究了EHEA中FCC相和B2相在不同變形量和后續(xù)退火條件下的恢復(fù)和再結(jié)晶行為。在催化裂化過程中，30%的變形量可以達(dá)到部分再結(jié)晶，而B2只恢復(fù)。據(jù)此，PSR獨特的加工路線包括30%適度變形和退火兩個循環(huán)(圖4a)。經(jīng)過一個循環(huán)的熱機(jī)械處理后，不規(guī)則區(qū)域的FCC相部分再結(jié)晶。經(jīng)過兩輪熱機(jī)械處理后，F(xiàn)CC相完全再結(jié)晶，B2相恢復(fù)粗化。

圖4 |加工路線及PSR形成機(jī)制。加工路線和相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖。對于PSR, AC EHEA進(jìn)行30%冷軋(CR)， 1200℃退火2次。FCC相、B2相、PB、GB/TB用青色、黃色、黑色、和紅色，分別。b AC EHEA在拉伸試驗中的原位μ dic結(jié)果，揭示了FCC相和B2相在變形過程中的應(yīng)變分配。c局部von Mises應(yīng)變沿b中黃色箭頭的變化，顯示出更高的應(yīng)變分配到FCC相。

總之，我們提出了一種通用的PSR方法來延化共晶合金。PSR,即。通過調(diào)整共晶兩相之間的應(yīng)變分配行為，實現(xiàn)了軟相的單獨再結(jié)晶和硬相的恢復(fù)。與傳統(tǒng)的共晶合金加工方法相比，PSR通過消除弱邊界來防止過早斷裂，從而通過位錯倍增和潛在相變激發(fā)兩相具有本質(zhì)優(yōu)越的應(yīng)變硬化能力。在典型FCC/B2 EHEA中，獲得了~ 35%的均勻伸長率和~ 2 GPa的真應(yīng)力。以應(yīng)變分配為主的PSR機(jī)制保證了其在其他雙相合金中的良好適應(yīng)性，A357合金證明了這一點。這一策略結(jié)合了共晶合金優(yōu)異的可鑄造性和強(qiáng)化能力，將開辟共晶合金作為高強(qiáng)度金屬材料在模型文明中的新領(lǐng)域。

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