悉尼大學廖曉舟佐治亞理工學院朱廷課題組 Acta Mater.: 揭示CrCoNi合金FCC-HCP-FCC雙相變過程

引言

多主元合金（包括高熵合金和中熵合金）是由多種元素按照相近或相等摩爾比混合形成的一種新型合金。因其非同尋常的組分構成和化學結構，擁有一系列優異的物理、化學和力學性能，具有廣泛的應用前景。

作為典型的多主元合金，CrCoNi中熵合金在室溫和低溫下均具有優異的力學性能，超過了大多數中高熵合金和傳統合金。這主要歸因于變形過程中出現的大量孿晶以及面心立方(FCC)和密排立方(HCP)之間的相轉變。迄今為止，這些被觀察到的變形機制皆已在傳統金屬合金中報道過，目前尚不清楚CrCoNi中熵合金中是否存在可以顯著提高力學性能未知變形機制。探索未知的變形機制，以及他們之間的競爭或協同關系將為進一步提升合金的力學性能提供有力的理論支撐。

成果簡介

近日，西南大學陳玉潔博士（共同第一作者）、上海交通大學陳登科副教授（共同第一作者）、澳大利亞阿德萊德大學謝宗翰教授，澳大利亞悉尼大學廖曉舟教授（共同通訊作者）、安祥海博士（共同通訊作者）、美國佐治亞理工學院的朱廷教授（共同通訊作者）和張寅博士等人，結合掃描透射電鏡（STEM）分析和分子動力學（MD）原子模擬，發現并解釋了在雙相（FCC和HCP）納米結構CrCoNi中熵合金中的一種新的變形機制：從FCC相到HCP相再到FCC相（孿晶）的雙相變。

研究人員對CrCoNi中熵合金微柱進行原位壓縮實驗，利用透射電鏡表征遠離剪切帶、近剪切帶以及剪切帶內部三種局部區域的原子特征。由于這些空間區域承受著不斷增大的剪應變，其顯示出的HCP相主導，FCC+HCP雙相混合以及FCC孿晶相主導揭示了原子結構時間序列上的演化，即同一個區域內原子結構從FCC相到HCP相，再到?FCC孿晶相的雙相變過程。實驗和原子模擬揭示了這種雙相變來自于：（1）FCC相密排面{111}以及HCP相密排面{0001}的這一公共相面巧妙的易滑移能力，雙相變可以通過原子層分別在FCC相和HCP相的密排面上沿同一方向（FCC<112>方向和HCP<110>）持續剪切滑移實現；（2）CrCoNi中熵合金負堆垛能或者低堆垛能的物理特性使得偏位錯在密排面上滑移的能量懲罰比較弱。與此同時，原子模擬得到的不同相原子能量密度隨剪應變變化的規律也在熱力學上支持FCC相到HCP相再到FCC孿晶相的雙相變過程。

相關成果以“Unraveling dual phase transformations in a CrCoNi medium-entropy alloy”為題發表在Acta Materialia（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117112）。該項工作的合作者還包括香港城市大學周志烽博士、瑞典皇家理工學院盧松博士、新南威爾士大學Paul Munroe教授以及西南大學張善勇教授。

圖文導讀

圖1:雙相CrCoNi中熵合金薄膜的微觀結構

（a）典型的截面TEM低倍明場像顯示出柱狀晶結構。

（b）HAADF-STEM像展示了幾個納米厚的FCC和HCP相共存

（c）FCC和HCP相中存在大量層錯和孿晶界

圖2:CrCoNi合金中剪切帶內及附近區域的微觀結構演化。

（a）CrCoNi微柱被壓縮到22%應變后的SEM圖像

（b）變形引起的剪切帶的HAADF-STEM圖像

（c-f）圖（b）中的（c-f）區域的放大高倍HAADF-STEM像；這些區域的局部剪切應變隨著距剪切帶中心距離的縮短而遞增

圖3 - CrCoNi合金雙相變的示意圖

(a-b) 雙相變的示意圖

(e-h）FCC相到HCP相的幾何滑移圖

(h-j）HCP相到FCC相的幾何滑移圖

圖4：CrCoNi中熵合金不同相原子能量密度隨應變變化圖

（a-c）FCC相，HCP相以及FCC孿晶相

（d）相應的原子能量密度隨剪應變變化曲線

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