Materials Today發表上海大學重大發現！打造同時具備超優強度和塑性合金新方法

導讀

對于金屬材料而言，將晶粒細化到超細晶/納米晶可使材料強度提高數倍，但同時也造成了材料應變硬化能力的衰減甚至是喪失，難以避免地出現低塑性。本文發現了一種順序激活的多級應變硬化(SMSH)行為，它能夠使得高強度的超細晶共晶高熵合金(EHEA)保持有效的應變硬化能力。依靠結構異質、晶粒尺寸控制、晶內成分精調的三級設計思路，突破了共晶高熵合金的中高堆垛層錯能及超細晶尺度伴隨的低孿生傾向，成功引入了順序激活的多類型形變納米孿晶，同時復合兩級尺度的異質變形硬化效應，創新性地開發出一種順序激活的多階段應變硬化機制，往高強度的超細晶共晶高熵合金中注入了持續且有效的應變硬化能力，實現了共晶高熵合金的超優強塑性結合。

在科學研究、關鍵應用及節能減排等方面，設計制備兼具高強度和高延展性的材料一直是各國研究者持續關注的焦點。通常，將金屬材料的晶粒細化到超細晶/納米晶后，能夠獲得數倍于粗晶材料的強度，但由于超細的晶粒內無法有效儲存位錯，這將造成應變硬化能力的嚴重損失，合金表現出極低的拉伸塑性。迄今為止，人們一直在努力探索各種改善細晶材料應變硬化的機制，如形變納米孿晶，以此嘗試提高超細晶材料的拉伸塑性。但形變孿晶的產生首先要求材料具有較低的堆垛層錯能（SFE），此外，在超細晶材料中，形變孿晶所需要的高激活應力會極大地削弱這種應變硬化機制。即使是某些低SFE的金屬材料，當晶粒尺寸<500nm，雖然獲得了1GPa以上的高屈服強度，但仍無法阻止塑性的嚴重犧牲。

共晶高熵合金是一種廣受關注的新型合金體系，具有良好的鑄造流動性，凝固組織呈現出特有的規則排列的雙相層狀結構。已有的研究結果證明，共晶高熵合金特有的雙相層狀結構能夠觸發顯著的異質變形誘導的強硬化去改善力學性能（《Nature?Communications》https://doi.org/10.1038/s41467-019-08460-2）。近日，上海大學材料學院鐘云波團隊，創新性地將多類型形變納米孿晶與多尺度異質變形硬化效應多重耦合，開發出一種順序激活的多階段應變硬化機制，相關研究結果以題為“Multistage work hardening assisted by multi-type twinning in ultrafine-grained heterostructural?eutectic high-entropy?alloys”為題，發表在國際頂尖雜志《Materials Today》(IF=26.416)上。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.029

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702120303321

圖文解讀

圖1?力學性能 (a)鑄態EHEA和多級硬化SMSH?EHEA的拉伸曲線，插圖中對比了包括超細晶EHEAs，高強度EHEAs在內的合金的屈服強度與均勻延伸率；(b)SMSH?EHEA對應的加工硬化曲線，表現出在超細晶材料中極為罕見的六階段的應變硬化，插圖中表明平均晶粒尺寸最小的SMSH?EHEA最終斷裂強度與屈服強度之差卻最大，這說明了其優異的應變硬化能力。

圖2?微觀結構 (a)鑄態EHEA的EBSD相圖與反極圖；(b)多級應變硬化SMSH?EHEA的SEM圖，（RD，軋制方向、TD，橫向)；(c)?SMSH?EHEA的TEM圖，以及B2層片，FCC層片的SADPs點陣，超晶格衍射點用白圈表示?(d) c中方框標記區域的EDS分析，顯示了鋁、鐵、鈷和鎳元素的分布；(e)鑄態EHEA的HAADF-STEM圖像，以及相應的EDS分析?(f) SMSH EHEA不同變形階段的示意圖，（GB，晶界、Twin1-3，三類不同的孿晶）；(g)SMSH?EHEA的HAADF-STEM圖像，以及相應的EDS成分分析，所有晶間B2相晶粒標記為P1。

圖3 變形結構的TEM圖片 (a)上圖，FCC層片比B2層片中存在更密集的位錯；下圖，FCC的晶粒尺寸分布；(b)上圖，在B2層片附近的FCC中形成的孿晶，以及在B2晶內出現的高密度位錯；下圖，SADP證明B2的結構，暗場相證實其中的密集位錯；(c)上圖，大量的變形孿晶；下圖，在上圖中標記的晶粒中，暗場像發現有兩種孿生方向、通過右側SADP也可進一步證明、孿晶的厚度分布；(d)上圖，孿晶扭曲生長的形態，插圖為孿晶尖端的暗場像；下圖，在孿晶前端形成的多重層錯，黃色箭頭標記為微孿晶，藍色箭頭表示孿生方向；(e)從晶界處向晶內生長的變形孿晶，且能觀察到孿晶尖端；(f)?e中孿晶（藍色框）和孿晶尖端（黃色框）的高分辨照片；(g)對于f黃色框區域的孿晶尖端FFT圖表示，隨著接近晶界，原子排列從單原子層的層錯到的三原子層的孿晶變化；(a-g)中所有的晶界和相界，分別用藍色五角星和黃色虛線標記。

圖4，通過9R相協調的變形孿晶TEM圖?(a)晶粒形貌；(b)a中晶粒的暗場像，插入圖中的SADP證明存在孿晶；(c)b中黃色框出區域的放大，展現出一次孿晶和二次孿晶，以及孿晶頭部的若干位錯和層錯（黃色三角形標記）；(d)對于c中孿晶頭的進一步放大，發現了的兩個相界（PB1和PB2）框出的9R相，同時也通過右側的FFT圖證明，CTB表示共格的孿晶界；(e) d中PB1和PB2相界的高分辨圖；(f)連續的9R相和扭曲的9R相。

圖5 斷裂損傷演化機制代表性的SEM圖像 (a)斷裂端微裂紋分布廣泛，沒有發現多數情況下出現的較大的二次裂紋；(b)由于應力集中，微裂紋主要在B2層片中相界面附近形成。部分微裂紋終止于B2層片（左、右圖中用黃箭頭標記），部分貫穿整個B2層片（左圖中用藍箭頭標記），還有一些裂紋尺寸較大（左圖中用紅色箭頭標記)；(c)放大圖像表示裂紋擴展受到相鄰的、較韌的FCC層片限制，通過，①微裂紋尖端在相界面附近鈍化（藍色箭頭標記），②微裂紋貫穿B2薄片（黑色虛線框標記）但不能穿透FCC層片，并在韌性的FCC層片輔助下，裂紋緩慢沿著B2層片的方向生長。

圖6 晶粒尺寸依賴的多類型形變孿晶輔助的順序激活的多級應變硬化示意圖。Twin1型孿晶主要在大晶粒(d> 0.55μm)中發生，而Twin2和Twin3型孿晶擇優出現在剩余的小晶粒中，特別是在0.3 <d < 0.5μm的晶粒中。

小結

綜上所述，順序激活的多階段應變硬化SMSH設計能有效地使高強度超細晶EHEA獲得了超優的均勻延伸率。這種SMSH行為是通過三級設計的互相協同完成的，在變形早期階段，通過遺傳共晶層片構建的雙相異質結構產生異質變形誘導(HDI)晶間硬化。從而造成了FCC晶粒中的高背應力和B2晶粒中的正應力。不僅達到較大FCC晶粒中Twin1型孿生的激活應力，也使B2晶粒產生大量位錯運動。隨后在較小的FCC晶粒中又出現了另兩種形變孿晶，產生了進一步的晶內硬化。這種多類型形變孿晶強化后的FCC晶粒能夠有效阻止裂紋擴展造成過早斷裂，延長了剩余的晶粒間或晶粒內的應變硬化能力到最后的拉伸變形。本工作開創性地提出了一種順序激活的多階段應變硬化機制，揭示出多級異質層片結構的強塑協同提升效應，為共晶合金的強塑化提供了一條獨特的途徑，也為高熵合金、軸承鋼、工模具鋼、高強高導高彈銅合金、高溫合金、鈦合金等先進材料的強塑性提升提供了全新的視角。

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