Prog. Mater. Sci.綜述:面心立方結構高熵合金的機械性能

青皮桔和山楂糖 5年前 (2019-01-11) 7595瀏覽

【引言】

高熵合金，又稱多主元合金，2004年首次被報道后受到廣泛關注和研究。最早的高熵合金是CrMnFeCoNi等原子比的“Cantor”合金，發展至今則包含了范圍更廣的金屬和非金屬體系。利用高混合熵的概念發展穩定的多組元合金還有待深入研究，但目前來看，以CrCoNi基合金為代表的幾類高熵合金均具備優異的力學性能：在較大塑性應變（~0.5）和較低的溫度下，都能保持連續的加工硬化率；由于位錯受到較高摩擦阻力，體系傾向于形成孿晶，產生極高的斷裂韌性，在動力學加載下阻止剪切帶的形成；Cantor合金啟動絕熱剪切帶形成的臨界剪切應變值約為7，遠高于傳統金屬和合金材料。此外，多主元環境導致的緩慢擴散速率，使得高熵合金具備優異的中溫表現。

【成果簡介】

近日，美國加州大學圣迭戈分校（UCSD）的Marc A. Meyers教授在Progress in Materials Science上發表了題為“Mechanical properties of high-entropy alloys with emphasis on face-centered cubic alloys”的綜述文章。綜述重點關注CrCoNi基為代表的面心立方高熵合金，對其重要的力學性質展開詳細闡述。憑借這些優異的力學性能，結合易于通過傳統方式制備的特點，在不久的將來，高熵合金有望作為結構材料得到大規模應用。

【圖文導讀】

圖1：CrMnFeCoNi高熵合金組成元素的成分分布圖。

圖2：常用結構材料的斷裂韌性-屈服強度關系圖（Ashby圖）。

圖3：高熵合金的熵效應。

(a)等摩爾元素的數量對體系混合熵的影響，五種元素時對應的混合熵為61R；

(b)按構型熵對合金體系進行分類的情況。

圖4：堆垛層錯能隨局域化學序的變化情況。

(a)等摩爾CrCoNi合金在四種特殊狀態下的本征堆垛層錯能，范圍從隨機固溶體到高度化學有序態；

(b)四組體系第一、二、三最近鄰殼層的本征堆垛層錯能γisf和局域原子對非比例總數?δ的關系；

(c)四組體系第一、二、三最近鄰殼層的非本征堆垛層錯能γesf和局域原子對非比例總數?δ的關系。

圖5：由不同物質狀態制備高熵合金的合成方法。

圖6：晶間區域（晶界和三接合點）處的體積分數隨晶粒尺寸的變化，晶粒尺寸由超細晶（100nm-1μm）到納米晶（<100nm）。

圖7：不同合金體系的應變強化率隨真實應變的函數關系比較。

圖8：高熵合金的應變強化和加工硬化性能。

(a)鋼材的極限強度-韌性圖，可見高熵鋼具有極高的性能；

(b)不同高熵合金的拉伸應力-應變響應，可見TRIP高熵合金具有優異性能，外側的顯微圖片表示隨加工硬化逐漸增強，發生fcc-hcp相轉變。

圖9：高熵合金的斷裂特性。

(a)JR(a)抗斷裂曲線描述了JIC在裂紋生長的最初階段的位置，即曲線和鈍化線（blunting line）的交點；

(b)應對裂紋擴展的本征和非本征強化機制的示意圖。

圖10：高熵合金的疲勞斷裂行為。

(a)金屬中疲勞斷裂生長速率da/dN隨外加應力強度DK的變化關系曲線；

(b)293K和198K溫度下負載比R為1時，CrMnFeCoNi合金的疲勞裂紋生長行為。

圖11：不同形變機制的Weertman–Ashby蠕變分布圖。

圖12：CrMnFeCoNi高熵合金的激光沖擊實驗。

(a)上表面可見沖擊坑的樣品的SEM圖像；

(b)沖擊坑內超細晶表面區域的放大圖；

(c)接近表面區域處橫截面TEM圖，可見位錯、堆垛層錯和納米尺度的孿晶；

(d)激光沖擊后的樣品的X射線計算機斷層掃描圖像；

(e)碎裂平面處附近的放大圖，可見粗糙的斷裂表面，說明是韌性斷裂。

【小結】

高熵合金具有無限多種類型，而今的研究可以說還停留在表面階段。因此，在評價其力學性能及其他性能時應避免一般化。高熵合金的復雜程度控制著力學性能，結構及組元通過經典的強化和弱化機制決定其力學性能。因此，本篇綜述首要聚焦于基于過渡金屬元素Cr、Co和Ni的中熵合金和高熵合金，這類合金被報道的性質總的來說往往是最優異的。

特別地，許多基于CrCoNi系的高熵合金具有優異的力學性能，表現出巨大的結構材料應用潛力。這些力學性能一部分是取決于多種變形機制（如固溶強化、位錯滑移、孿生和合金相轉變）影響的。合金的種類則由最初僅包含固溶體擴展到雙相材料。因此，力學響應不僅是單相面心立方合金的特性，還包含多相引起的復雜度，在某些情況下還有應力誘導的馬氏體轉變。強度、韌性和機械性能與材料的結構、激活機制相聯系，作者強調：面心立方和體心立方高熵合金具有不同的應變速率敏感度和熱軟化響應。文章的最后，作者列舉了10條基于CrCoNi系的高熵合金的最主要力學性質。

文獻鏈接：Mechanical properties of high-entropy alloys with emphasis on face-centered cubic alloys（Prog. Mater. Sci.,2018,DOI: 10.1016/j.pmatsci.2018.12.003）

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu

標簽：
分享到