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常州大學(xué)材料學(xué)院劉祥奎JMST：具有優(yōu)異室溫及低溫力學(xué)性能的雙相異質(zhì)結(jié)構(gòu)共晶高熵合金！

2024-11-06 11:10:42 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

01 【全文速覽】

共晶高熵合金（Eutectic high-entropy alloy，EHEAs）結(jié)合了傳統(tǒng)共晶合金和高熵合金的潛在優(yōu)勢，具有優(yōu)異的鑄造性能和力學(xué)性能，在工程領(lǐng)域中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。然而，在共晶高熵合金中，強(qiáng)度的提高通常伴隨著延展性的損失，限制了其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。為了進(jìn)一步強(qiáng)化共晶高熵合金，常州大學(xué)劉祥奎等人通過采用冷軋+退火的方法在Ni₄₉Fe₂₈Al₁₇V₆共晶高熵合金中構(gòu)建非再結(jié)晶和再結(jié)晶區(qū)域組合的雙相異質(zhì)結(jié)構(gòu)，顯著提高合金室溫及低溫力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，室溫條件下（298 K），該合金屈服強(qiáng)度為1550 MPa，抗拉強(qiáng)度為1772 MPa，均勻延伸率為16.5%。低溫（77 K）條件下，該合金屈服強(qiáng)度提高至1877 MPa，抗拉強(qiáng)度提高至2157 MPa，均勻延伸率保持10%。這種優(yōu)異的室溫力學(xué)性能主要?dú)w因于異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）強(qiáng)化，而低溫下超高的強(qiáng)度不僅源于HDI強(qiáng)化，還源于變形孿晶與高密度位錯(cuò)的強(qiáng)烈相互作用。本研究結(jié)果為高性能合金的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)共晶高熵合金在低溫極端環(huán)境的工程應(yīng)用提供新的思路。相關(guān)研究以題為“Ultra-high strength and ductility of eutectic high-entropy alloy with duplex heterostructure at room and cryogenic temperatures”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

第一作者：劉祥奎

通訊作者：劉祥奎，蔣珍飛

通訊單位：常州大學(xué)，上海交通大學(xué)

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.10.008

02 【研究背景】

隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代工程應(yīng)用對材料性能的要求不斷提高，傳統(tǒng)金屬由于難以獲得強(qiáng)度與塑性良好匹配，限制了其在航空航天、交通運(yùn)輸、能源工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)同時(shí)具備超高強(qiáng)度和優(yōu)異塑性的高性能合金成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。高熵合金（high-entropy alloys, HEAs）憑借其獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能而備受關(guān)注，是新一代結(jié)構(gòu)工程材料的理想合金體系。其中，共晶高熵合金（EHEAs）凝固區(qū)間窄、流動(dòng)性優(yōu)異，并以其獨(dú)特的雙相協(xié)調(diào)變形能力引起眾多科研工作者的極大關(guān)注，成為結(jié)構(gòu)工程材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，鑄態(tài)共晶高熵合金強(qiáng)度的提升通常伴隨著塑性的損失。在此背景下，研究人員開始通過設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)及微觀組織結(jié)構(gòu)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)合金強(qiáng)度與塑性的協(xié)同優(yōu)化。異質(zhì)結(jié)構(gòu)是通過引入不同尺度的晶粒區(qū)域來調(diào)控變形過程中的應(yīng)力分布和位錯(cuò)行為，從而在不犧牲塑性的前提下大幅提升合金的強(qiáng)度。同時(shí)，析出強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化等傳統(tǒng)強(qiáng)化機(jī)制與異質(zhì)變形誘導(dǎo)強(qiáng)化的協(xié)同作用也為開發(fā)新一代高新能合金提供了新的思路。

03 【本文亮點(diǎn)】

作作者采用冷軋+退火方法在Ni₄₉Fe₂₈Al₁₇V₆共晶高熵合金中構(gòu)建雙相異質(zhì)片層結(jié)構(gòu)，顯著提高了該合金的拉伸力學(xué)性能。室溫（298K）環(huán)境下，該合金屈服強(qiáng)度為1550 MPa，抗拉強(qiáng)度為1772 MPa，均勻延伸率為16.5%；在低溫（77 K）環(huán)境下，該合金屈服強(qiáng)度提高至1877 MPa，抗拉強(qiáng)度提高至2157 MPa，均勻延伸率保持10%。該合金出色的低溫力學(xué)性能主要?dú)w因于異質(zhì)變形誘導(dǎo)硬化以及變形孿晶與高密度位錯(cuò)的強(qiáng)烈相互作用，為開發(fā)具有卓越低溫力學(xué)性能的合金提供了新的見解。

04 【圖文解析】

圖1、鑄態(tài)和軋制-退火態(tài)EHEAs（CR-A750 EHEA）的顯微組織。(a) 鑄態(tài)EHEA的SEM顯微組織；(b) 鑄態(tài)EHEA的HAADF-STEM圖像；(c-d) FCC/L1₂和B2對應(yīng)的SAED圖；(e) EBSD IPF圖；(f) EBSD相圖；(g) EBSD KAM圖；(h) 再結(jié)晶晶粒、亞結(jié)構(gòu)和變形晶粒的EBSD圖；(i) 軋制-退火態(tài)EHEA的明場TEM圖像；(j) B2片層中L1₂納米析出相的TEM圖像；(k) L1₂納米析出相的TEM-EDS圖譜；(l) L1₂納米析出相的HRTEM圖像和相應(yīng)的SAED圖；（m, n, o）明場TEM圖像；(p-q) L1₂和B2相對應(yīng)的超晶格衍射圖像

圖2、CR-A750 EHEAs在室溫和低溫下的力學(xué)性能。(a) 拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 應(yīng)變硬化率曲線，插圖為真應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(c) 室溫屈服強(qiáng)度與均勻延伸率性能對比圖；(d) 低溫屈服強(qiáng)度與均勻延伸率性能對比圖

圖3、CR-A750 EHEA室溫變形組織。

圖4、CR-A750 EHEA低溫變形組織。

05 【結(jié)論展望】

綜上，作者通過優(yōu)化熱機(jī)械加工工藝，采用冷軋（軋制變形量87%）和退火工藝（750℃，2小時(shí)）在Ni₄₉Fe₂₈Al₁₇V₆共晶高熵合金中構(gòu)建了一種雙相異質(zhì)片層結(jié)構(gòu)，使得該合金在室溫和低溫環(huán)境下均表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。優(yōu)異的室溫力學(xué)性能主要是由于軟硬兩相中異質(zhì)結(jié)構(gòu)引起的HDI強(qiáng)化，而超高低溫強(qiáng)度不僅源于異質(zhì)結(jié)構(gòu)引起的HDI強(qiáng)化，還源于變形孿晶和高密度位錯(cuò)的強(qiáng)烈相互作用。相關(guān)研究結(jié)果為開發(fā)面向工業(yè)應(yīng)用的高性能合金及實(shí)現(xiàn)共晶高熵合金在極端環(huán)境中的大規(guī)模應(yīng)用提供了新的思路。

06 【引用本文】

Xiangkui Liu, Jingying Liu, Chenglong Zhou, Weixia Dong, Xuecong Zhang, Qianye Wang, Huiqing Xu, Xulong An, Dandan Wang, Wei Wei, Zhenfei Jiang, Ultra-high strength and ductility of eutectic high-entropy alloy with duplex heterostructure at room and cryogenic temperatures, J. Mater. Sci. Technol. (2024).

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.10.008

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