上海大學首篇Science：共晶魚骨高熵合金的多級裂紋緩沖

在人造的韌性材料中，一些諸如裂紋之類的微觀損傷就能降低材料的服役壽命。像骨骼這類的生物復合材料，因其具有精細的多級微結構，可以很好地抵御裂紋，但卻不具有高的延展性能。現在，有一項研究成功化解了這種互不兼容的矛盾。

上海大學鐘云波教授團隊聯合北京科技大學王沿東教授團隊合作，展示了一種定向凝固的原位復合材料-共晶高熵合金（EHEA），成功地協調了裂紋容限和高延伸率。可控凝固后的共晶高熵材料呈現出一種新型的多級共晶魚骨結構，能夠實現仿生的多級裂紋緩沖。這種效應結果誘導了穩定、持續、沿晶體學跡線生長的微裂紋，因而在塑性差的共晶層片中形成了高密的多重微裂紋。驚訝的是，相鄰的動態應變硬化韌性共晶層片可以施加給這些裂紋一種多級的裂紋緩沖效應，因而有效地避免了裂紋不可控的災難性生長和破壞。研究的自緩沖共晶魚骨高熵材料產生了超高的均勻拉伸延伸率（約50%），是傳統不具備緩沖能力EHEAs的3倍，且沒有犧牲強度。

這項成果以題為“Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys”發表在了Science。上海大學為第一署名單位，上海大學鐘云波教授、德國馬克斯-普朗克研究所D. Rabbe教授和北京科技大學的王沿東教授為共同通訊作者，鐘云波教授指導的上海大學18級博士生時培建為第一作者。

【圖文導讀】

圖1 多級的的共晶類魚骨微結構

(A-C) 傳統鑄造的EHEA作為參考材料。(A) SEM背散射電子圖像。(B）電子背散射衍射（EBSD）相圖（左）和反極圖（IPF）（右）。(C) 傳統鑄造EHEA的微結構示意圖。

(D-I）定向凝固的EHEA展現出多級的共晶魚骨結構。（D）和（E）中的黑色箭頭表示定向凝固DS方向，也是圖2A中的拉伸加載方向。(D) SEM背散射電子圖像顯示，定向凝固結構是由柱狀晶粒組成的。晶粒邊界由黑色虛線標記。(E) 放大的EBSD相圖和IPF圖，顯示柱狀晶粒由AEC和BEC組成。黑色實線和虛線分別標記晶粒和菌落的邊界。

(F-I）分別是凝固的這種多級類魚骨結構的示意圖和它的形成原理。(G) B2和L1₂相的HAADF-STEM圖像和相關SAED圖。HAADF-STEM圖像顯示了干凈的雙相層片。(H) B2和L1₂相的SHE-XRD表征。

圖2 環境溫度下的拉伸響應

(A) 與傳統鑄造的EHEA相比，定向凝固的魚骨EHEA的工程應力-應變曲線，顯示了均勻拉伸延展性的大幅增加，而強度沒有任何降低。定向凝固的魚骨EHEA沒有后均勻延伸率（即頸縮）。試樣是被沿著DS方向進行拉伸加載。插圖顯示了相應的應變-硬化曲線。MDIH和MBIH分別指多重平面滑移位錯誘導的硬化和微帶誘導的硬化。

(B) 與之前報道的鑄態共晶和近共晶HEAs的力學性能相比，定向凝固的魚骨EHEAs展現出異常優異的強塑性結合。(N-)EHEAs是指共晶和近共晶HEAs。傳統的（N-）EHEAs包括直接鑄造和電弧熔煉的共晶和近共晶HEAs。

圖3 共晶魚骨結構激發的多級裂紋緩沖效應

(A-C) SEM背散射電子圖像顯示了從軟BEC到強AEC的順序激活的滑移線。(B)中的插圖顯示了放大的交叉滑移線。

(D) SEM圖像顯示了相鄰柱狀晶粒之間的協調變形，沒有晶粒邊界開裂。黑色實線和虛線分別標志著晶粒和菌落的邊界。

(E-H) AEC中控制良好的微裂紋演變。插圖（上圖，放大；下圖，示意圖）說明了動態的微裂紋演變。

(I) 基于EBSD的圖像質量（IQ）和含有核心平均錯位（KAM）疊加的IQ圖。

(J) AEC中微裂縫長度、微裂縫密度和補償應變的演變。第I至第III階段分別對應于25-30%、30-40%和40-50%的拉伸應變。數據是平均值±SD。

(K)多級裂紋緩沖效應的原理示意圖。

圖4 L1₂韌性共晶層片承載響應的微觀結構和微觀力學研究

(A-B) L1₂和B2層片的平面滑移位錯。

(C) L1₂薄片中變形引起的微帶。

(D,E) 動態滑移帶細化[(D)和(E)，頂部]的HAADF-STEM圖和新的滑移帶和交叉滑移的位錯，分別由紅線和黃色箭頭標記[（E），底部]。

(F) 變形引起的微帶。環狀SAED圖案（插圖）表明這些微帶類似于低角度晶界（而不是機械孿晶）。

(G) 拉伸加載過程中B2和L1₂相（即sB2和sL1₂）的實時應力分配。

(H) 在拉伸應變~48%的情況下，沿全方位角η（0°~360°）方向的2D X射線衍射圖像。

【應用】

研究團隊認為這些機制對于指導更廣泛的鑄態共晶型HEAs和傳統合金的性能改善具有實際意義。這種微結構理念和方法也大有可能用于其它由軟硬相組成的人造合成材料中。對這些材料進行多級的魚骨狀微結構構筑，進而引導和緩沖裂紋，制備抗裂紋和高變形相兼容的材料。此外，這種共晶魚骨型微結構構筑方法和理念不僅對開發具有高伸長率的新型多級結構合金，而且對設計具有良好斷裂韌性的新型骨替代生物材料具有很好的指導意義。

值得一提的是，鐘云波團隊近兩年多來已在該領域取得多次突破。他們先是在《Nature Communications》上報道了共晶高熵合金獨特的微層片遺傳特性，所構筑的雙相多級異質層狀結構在拉伸加載時，能夠觸發強的異質變形誘導的硬化能力，因而可以顯著改善超細晶共晶高熵材料的力學性能。然后，通過定制應力依賴的多重硬化機制，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，開發出一種具備順序激活的多階段應變硬化能力的超細晶共晶高熵合金，發表在國際頂尖雜志《Materials Today》上。

【文獻鏈接】

1.Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys（Science，2021，DOI:10.1126/science.abf6239）

2.Enhanced strength–ductility synergy in ultrafinegrained eutectic high-entropy alloys by inheriting microstructural lamellae(Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-019-08460-2)

3.Multistage work hardening assisted by multi-type twinning in ultrafine-grained heterostructural eutectic high-entropy alloys（Materials Today, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.029）

感謝第一作者時培建對本文所做的貢獻。