Nat. Commun.: 調控高熵合金的不均勻性以促進強度-韌性協同效應

【引言】

金屬及合金是加工領域和工程承載應用的重要材料。對于這類結構材料，室溫條件下的強度和韌性是兩個基本力學性質。屈服強度是材料開始塑性形變的應力，代表材料發生宏觀永久形變的應力上限。韌性則是材料在屈服之后以及斷裂之前塑性形變的能力，通常用非軸向拉伸測試中失效的延伸率來表達。足夠高的韌性形變率對于金屬加工中保證均勻形變十分重要。普遍的關注點是如何盡可能多地提高屈服強度，同時使韌性損失量盡可能少，保持較高的韌性應變值。這一目標極具挑戰性，因為合金材料的韌性和強度往往存在著 “折中(trade-off)”關系。

【成果簡介】

近日，美國約翰霍普金斯大學的馬恩教授和中科院力學所的武曉雷研究員（共同通訊作者）在Nature Communications上發表了題為“Tailoring heterogeneities in high-entropy alloys to promote strength–ductility synergy”的綜述文章。高熵合金和傳統合金相比，具有多種主要元素，其強度比傳統固溶體要高很多，因為多種成分會產生崎嶇的勢能圖景(rugged energy landscape)，提高位錯移動所受的阻力，也可以阻礙其他不均勻性。此外，高熵合金中納米結構的不均勻性多種多樣。本篇綜述回顧了多組元合金中多種層次的不均勻性導致晶格摩擦和背應力(back stress)強化，作為超越現有基準范圍的實現強韌性協同作用的主要策略。

【圖文導讀】

圖1：屈服強度與均勻拉伸應變的關系圖。

圖2：高度不均勻的高熵合金顯微結構示例。

(a)多組元金屬間納米顆粒強化的FCC型 (FeCoNi)₈₆- Al₇Ti₇ (Ll₂)高熵合金；

(b)不均勻晶粒結構的CrCoNi中熵合金；

(c)相變誘導塑性（TRIP）雙相Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金；

(d)具有有序LI₂夾雜物和無序FCC基底的Al₅Cr_0.9FeNi_2.5V_0.2高熵合金；

(e)雙相共晶層狀AlCoCrFeNi₁高熵合金；

(f)富Al-Ni基底和富Cr-Fe薄板狀夾雜的Al₃CoCrCuFeNi高熵合金；

(g)BCC單相TiZrHfNb高熵合金；

(h)不均勻晶粒結構高熵合金的層狀特征，包含大尺寸的部分再結晶晶粒和小尺寸的完全再結晶晶粒。

圖3：FCC基高熵合金中屈服強度和均勻拉伸應變的關系圖（涵蓋四種顯微結構）。

圖4：室溫條件下高熵合金/中熵合金的加載-卸載-再加載拉伸應力應變測試的滯回曲線。

圖5：應變強化響應：FCC高熵合金的歸一化應變強化速率和真實拉伸應變的關系曲線。

圖6：BCC高熵合金中觀察到的屈服強度和均勻拉伸應變關系圖。

圖7： 近期報道的用TRIP或TWIP促進應變強化的多主元鋼中觀察到的屈服應力與均勻拉伸應變的關系。

圖8：FCC晶格中的位錯遷移。

(a)FCC -NiCoCr中熵合金隨機固溶體中的Wavy位錯線；

(b)FCC Cu的長位錯線作為整體從某個Peierls谷中向下一個行進的行為。

【小結】

作者預期新的多主元形式將繼續拓展合金的種類，衍生出更多成分的同時，力學性能也會更加多樣。在拉伸形變過程中會逐漸增強顯微結構高度不均勻性，構建起含有分布差異、面缺陷、團簇/夾雜物、晶粒尺寸分布和第二相的層級結構。在文中，這些觀點都使用近期報道的高熵合金為示例作了說明。該課題將繼續盡力優化和改善高熵合金，以使其具備優異的力學性能。特別地，借助不均勻性的調控來避免塑性不穩定性并實現更好的韌-塑性平衡具有巨大潛力。

文獻鏈接：Tailoring heterogeneities in high-entropy alloys to promote strength–ductility synergy（Nat. Commun.,2019,DOI: 10.1038/s41467-019-13311-1）

本文由Isobel供稿。