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北理工團隊《Acta Materialia》：異質(zhì)結(jié)構(gòu)高熵合金研究重要進展！

2023-12-11 14:26:34 作者：材料基來源：材料基分享至：

北京理工大學(xué)材料學(xué)院馬兆龍、程興旺課題組近日在異質(zhì)結(jié)構(gòu)高熵合金研究中取得重要進展。2023年11月，相關(guān)研究成果以“Pursuing ultrastrong and ductile medium entropy alloys via architecting nanoprecipitates-enhanced hierarchical heterostructure”為題在國際知名期刊《Acta Materialia》上發(fā)表。博士生郭世康為第一作者，北京理工大學(xué)材料學(xué)院馬兆龍教授，程興旺教授為論文共同通訊作者，北京理工大學(xué)為第一單位。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119492

納米沉淀相強化的中/高熵合金（M/HEAs）具有優(yōu)異的力學(xué)性能，有潛力作為新型結(jié)構(gòu)材料投以應(yīng)用。然而，進一步增強這些材料通常依賴于增加納米沉淀相的體積分?jǐn)?shù)或者引入更硬的金屬間化合物，這不可避免地會犧牲材料延展性。

為了使合金達到更優(yōu)異的強塑性匹配，課題組提出了一種策略，通過在Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅新型中熵合金中構(gòu)建多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在有效提高合金強度的同時保持優(yōu)異的塑性。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包含了高體積分?jǐn)?shù)的D0₂₂-γ”納米沉淀物、可剪切和不可剪切的金屬間化合物，以及具有異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)的低層錯能（SFE）基體。變形過程中，多種組織帶來的協(xié)同強化機制，有效的提高了合金的應(yīng)變硬化能力，實現(xiàn)了1323 MPa/1690 MPa的屈服/極限拉伸強度和29 %的拉伸伸長率的優(yōu)異力學(xué)性能。這項研究為通過控制多尺度微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性來設(shè)計超強韌性金屬材料提供了范例。如圖1所示。為了進一步分析納米析出相和異質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來的協(xié)同強化效果，文中將包含不同組織的Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅合金進行對比分析，包括單相合金（SP）、納米沉淀相強化合金（NP）、金屬間化合物+異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)合金（IHG）和納米沉淀物+金屬間化合物+異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)合金（NPIHG），合金的力學(xué)性能和相應(yīng)組織如圖1所示。

圖1合金的力學(xué)性能以及相應(yīng)的微觀組織結(jié)構(gòu)

為了進一步對比合金不同組織的協(xié)同強化作用，分別對不同組織的Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅合金做循環(huán)加載試驗計算變形過程中合金的非均勻變形誘導(dǎo)應(yīng)力，結(jié)果如圖2所示，包含有多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)的NPIHG合金的非均勻變形誘導(dǎo)應(yīng)力明顯高于SP、NP和IHG合金。

圖2 合金的非均勻變形誘導(dǎo)應(yīng)力（hetero-deformation induced (HDI) stress）（a） SP、NP、IHG和NPIHG的加載-卸載-再加載（LUR）循環(huán)拉伸真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線;（b）圖（a）中陰影區(qū)域中典型磁滯回線的放大圖;（c）SP、NP、IHG和NPIHG合金的HDI應(yīng)力（σ_HDI）。（d）合金中HDI應(yīng)力與流變應(yīng)力之比（σ_HDI/σ_flow）的比較。

為了進一步分析NPIHG合金表現(xiàn)出優(yōu)異力學(xué)性能的原因，對比分析了不同應(yīng)變下NPIHG合金和IHG合金的變形亞結(jié)構(gòu)演化。結(jié)果如圖3所示，隨著應(yīng)變增加，NPIHG合金中出現(xiàn)大量層錯、變形孿晶與L-C位錯鎖，而IHG合金中僅出現(xiàn)層錯。變形過程中，層錯、變形孿晶和L-C位錯鎖有效阻礙位錯運動從而提高合金的加工硬化能力，這也是NPIHG合金表現(xiàn)出優(yōu)異的強塑性匹配原因之一。

圖3 NPIHG合金和IHG合金在不同應(yīng)變下的變形亞結(jié)構(gòu)。

圖4對比了所研究合金與已報道的具有不同組織結(jié)構(gòu)的中/高熵合金的力學(xué)性能。盡管NPIHG合金的強度低于一些已報道的合金（UTS>2GPa），但由于多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)有效增強了NPIHG合金的加工硬化能力，NPIHG合金表現(xiàn)出目前已報道最優(yōu)的強塑性匹配。合金優(yōu)異的塑性來源于變形過程中不同組織間的協(xié)同強化機制，即來自FCC基體的固溶強化，D0₂₂-γ''納米沉淀相的共格強化和有序強化，D0₂₄-η粒子的Orowan強化（位錯繞過），D0₁₉-ε相的位錯切過強化，以及異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)的HDI強化。

圖4 合金與其他具有典型微觀組織結(jié)構(gòu)的中/高熵合金的室溫力學(xué)性能的比較。（a）總伸長率與屈服強度（YS）的關(guān)系和（b）總伸長率與極限抗拉強度（UTS）的關(guān)系。

綜上所示，馬兆龍、程興旺課題組設(shè)計了含有多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅新型高性能中熵合金，實現(xiàn)了1323MPa/1690MPa的屈服/極限拉伸強度和29%的拉伸延展性的優(yōu)異強度-延展性組合。文章提出的設(shè)計具有多尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)和變形亞結(jié)構(gòu)激活能力的微觀結(jié)構(gòu)的方法可以廣泛應(yīng)用于許多其他金屬材料，包括先進鋼材、高溫合金和中/高熵合金。

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