Science China Materials：CrCoNi中熵合金優異的高應變速率拉伸力學性能

【引言】

擁有優異的力學強度和拉伸塑性對于結構合金是非常重要的。然而，合金在高應變速率或者低溫下變形時通常拉伸塑性非常有限。本文首次展示了塊體CrCoNi中熵合金在高應變速率和低溫下擁有極其優異的綜合拉伸力學性能，是迄今為止已報道的工程材料中最優異的低溫動態力學性能。

【成果簡介】

最近，澳大利亞悉尼大學廖曉舟教授（共同通訊作者）課題組的高鵬博士（共同第一作者），西北工業大學李玉龍教授（共同通訊作者）課題組的馬自豪（共同第一作者）和中南大學的宋旼教授（共同通訊作者）等人在國際頂級期刊SCIENCE CHINA Materials上發表了題為Exceptional high-strain-rate tensile mechanical properties in a CrCoNi medium-entropy alloy的文章。在這項工作中，作者使用了特制的帶有冷卻裝置的電磁霍普金森拉伸設備首次實現了低溫下的高速拉伸試驗。拉伸速率達到了2000/s，溫度范圍從室溫至液氮溫度（77 K）。結果顯示此材料在高速應變和低溫條件下的拉伸強度和塑性均明顯優于室溫和常速下的性能。高應變速率和低溫均極大地提升變形孿晶的密度。相比于溫度，高應變速率對孿晶密度的影響更大。劇烈的變形孿生行為和晶粒細化對優異的高速低溫力學性能起到了至關重要的作用。

【圖文導讀】

圖?1.?塊狀CrCoNi合金的力學性能和加工硬化率。（a）在準靜態和高速應變，室溫和低溫下的真實（實線）和工程（虛線）拉伸應力應變曲線。真實應力應變曲線僅展示均勻變形部分的曲線。（b）試樣的加工硬化率曲線。（c）此合金和其它工程材料的力學性能對比。紅色符號來自本文，綠色符號代表拉伸數據，黑色符號代表壓縮數據。CrCoNi合金展示了迄今為止已報道的工程材料中最優異的低溫動態力學性能。

圖?2. 試樣在塑性變形前后的顯微組織。（a）展示了一個在2000 s^-1 和?200 K拉斷的試樣和取樣位置，Area 1 距離斷口~2 mm，Area 2取自斷口。（b）拉伸前的顯微組織。（c）、（d）和（e）分別展示（a）中1區準靜態拉伸、 2000 s^-1室溫拉伸、和2000 s^-1?200 K拉伸后的顯微組織。（f）、（g）和（h）分別展示（a）中2區準靜態室溫拉伸、 2000 s^-1室溫拉伸、和2000 s^-1?200 K拉伸后的顯微組織。（f）中顯示的拉伸方向也適用于（g）和（h）。變形后的樣品均展示強烈的 {111} 和 {001} 織構，而?{001} 織構 是由孿晶變形引入的。高速應變下斷口區域晶粒明顯細化。

圖?3. 用Transmission Kikuchi Diffraction 觀察的斷口區域典型的顯微組織結構?(此處僅顯示出圖d和e)?– 高密度的變形孿晶以及黑色箭頭標示的在孿晶區域出現的再結晶晶粒。（d）在2000 s^-1?和200 K，白色方框的顯微組織在（e）展示。（e）中的黑色箭頭指向了再結晶晶粒。

圖?4. 在200 K下高速拉斷的試樣的透射電鏡顯微組織。（a）斷口附近的納米晶粒。紅色箭頭指向的虛線區域的晶粒很可能是具有極低位錯密度的再結晶晶粒。（b）展示了（a）中的藍色方框區域。（c）展示了（b）中紅色方框區域內的納米孿晶和層錯。

圖?5. 塑性變形后的試樣的（幾何必須）位錯密度分布圖。（a）準靜態室溫，（b）2000 s^-1?室溫，（c）2000 s^-1?和200 K。圖中顏色代表了位錯密度。綠色線區域在孿晶界附近，說明孿晶界對于阻擋位錯運動、增加位錯密度因而提升加工硬化率和塑性起到了致關重要的作用。

圖?6. 在準靜態和高速拉伸下的顯微組織演化示意圖。（a）塑性變形之前的等軸晶顯微組織。（b）在早期準靜態變形下形成的孿晶組織。（c）在后期準靜態變形下形成的二次孿晶組織。（d）在早期高速率變形下形成的孿晶組織和亞晶粒。（e）在后期高速率變形下出現二次孿晶和再結晶晶粒。黑色線代表了普通高角度晶界。紅色線代表了孿晶界。灰色線代表了小角度晶界。藍色和黃色區域分別代表了初次和二次孿晶。

【總結】

本文展示了CrCoNi中熵合金在高應變速率和低溫下優異的綜合拉伸力學性能。本研究使用特制的帶冷卻裝置的電磁霍普金森拉桿裝置得到了在2000 s^-1和77 K下完整的拉伸力學曲線。結果表明合金具有超高的拉伸真應力 (σ_UTS,T) 1.8 GPa和在σ_UTS,T的拉伸真應變~54%。合金優異的力學性能主要歸因于大量變形孿晶的啟動。高應變速率和低溫都促使了孿晶的形成。變形孿晶、滑移、動態再結晶引起的晶粒細化促進了加工硬化，從而增加了拉伸塑性。這項工作的合作者還包括中南大學顧及博士和倪頌教授，西北工業大學索濤教授和悉尼大學Yiu-Wing Mai教授。

文章鏈接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-021-1798-6

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