德國馬克斯-普朗克研究所Adv. Mater.:通過晶格扭曲設計超強中熵單相合金

【引言】

實現材料在強度和延展性中的平衡是先進材料科學和工程領域的巨大挑戰。很多研究通過探索潛在機理和控制微觀結構，來提高材料在強度和延展性之間的平衡。屈服應力是限制材料最大應力的重要因素。為了提高屈服應力，傳統合金通常依賴于復雜而昂貴的熱機械加工路線，希望通過加工在材料中引入高密度的晶格缺陷來有效地增加材料強度。單相金屬材料在重結晶態和塑性屈服初期擁有很少的缺陷，具有不充分的晶格摩擦，因而流動應力較小。多種基礎元素的固體混合物（高熵或中熵合金）為材料的設計提供了一種很有前景的基礎，因為每一種單一的原子都可以創造獨特的局部晶格扭曲和應力。

【成果簡介】

近日，德國馬克斯-普朗克研究所發現一種簡單的VCoNi等原子中熵合金，擁有近1 GPa的屈服應力和很好的延展性，大大超過傳統合金。作者認為可以通過晶格扭曲來提高材料的屈服應力，以及對結晶大小的敏感度。同時，錯位調控的塑性可以通過形成納米大小的錯位微結構來實現材料強度與延展性的平衡。這些結果證明晶格扭曲是實現超強材料結構設計的重要因素。該成果以題為”Ultrastrong Medium-Entropy Single-Phase Alloys Designed via Severe Lattice Distortion”發表在Adv. Mater.上

【圖文導讀】

Figure 1.VCoNi中熵合金微結構

?(a).VCoNi合金在900℃退火60分鐘的點子背散射衍射反極圖

(b).TEM圖

(c-e).能量色散圖

(f).3D原子探針X斷層成像

(g).二維離子密度圖

(h).組份構成

(i).本體組分分析

Figure 2.VCoNi合金與其他幾種高強度合金的拉伸性能對比

?(a).VCoNi合金與CrCoNi合金的應力-應變曲線

(b).VCoNi合金中，屈服應力與平均晶粒尺寸之間的關系

(c).VCoNi合金與其他高強度合金的拉伸性能對比

Figure 3.局部晶格扭曲的影響的計算結果

(a).VCoNi合金和CrCoNi合金中原子平均體積的變化

(b).VCoNi合金和CrCoNi合金中每一個元素對的第一最近距離

(c).多元素合金中的均方原子位移

圖4.VCoNi合金的形變機理

?(a-c).40%形變的VCoNi合金在900℃退火60分鐘的相關表征

(d).c圖中對應的方向偏差圖

(e-g).不同形變程度樣品的電子通道對比成像分析

【小結】

在這個工作中，作者發現一種簡單的VCoNi中熵合金具有接近1 GPa的屈服應力和很好的延展性，這些都是傳統合金所不具備的性能。研究認為晶格扭曲可以合金的屈服應力和對晶粒的敏感性。同時，位錯調控的塑性可以通過產生納米尺寸的位錯微結構來增強強度和延展性。晶格扭曲是設計超強材料的關鍵點。

Ultrastrong Medium-Entropy Single-Phase Alloys Designed via Severe Lattice Distortion

(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201807142)

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