Acta Materialia∣孫軍院士“異質雙相中熵合金”取得巨大突破

try123 1年前 (2022-07-29) 1442瀏覽

  • 導讀

中/高熵合金 (M/HEAs) 因其良好的機械性能而受到廣泛關注，特別是面心立方 (FCC) M/ HEA 在低溫條件下表現出異常的機械響應。面心立方 (FCC) M/ HEA中具有代表性的是粗晶 (CG) NiCoCr MEA，在低溫下表現出高強度、大延展性和高斷裂韌性。如何在保證延展性的同時提高其屈服強度這是一個有待解決的問題。

 

為此，西安交通大學孫軍院士團隊設計制造了一種高強度且具有延展性的異質結構 Al10Ta2 MEA ，其在低溫應用中具有優異的裂紋阻止能力和損傷容限。相關研究成果以題“The B2 phase-driven microstructural heterogeneities and twinning enable ultrahigh cryogenic strength and large ductility in NiCoCr-based medium-entropy alloy”發表在金屬頂刊Acta Materialia上。

 

 

  • 成果掠影

本文設計了異質 (NiCoCr)88Al10Ta2 (at.%)雙相中熵合金(MEA)，該合金由面心立方(FCC)基體和B2相組成，具有優異的低溫力學響應。當溫度從298K降低到77 K時，其屈服強度、極限強度和拉伸延展性分別從~ 1.1 GPa、1.4 GPa和20%提高到~ 1.5 GPa、1.8 GPa和25%。多種強化機制加上優異的應變硬化能力使該合金具有優異的強度-延展性協同效應。這種獨特的B2裂紋行為首次在多組份合金中被發現，根據不同溫度下B2裂紋尖端的應力場強度和FCC基體的止裂能力之間的競爭進行了合理的解釋。

 

 

  • 核心創新點

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  1. 異質 (NiCoCr)88Al10Ta2 (at.%)雙相中熵合金(MEA) 具有優異的低溫力學響應。當溫度從298K降低到77 K時，其屈服強度、極限強度和拉伸延性分別從~ 1.1 GPa、4 GPa和20%提高到~ 1.5 GPa、1.8 GPa和25%。多種強化機制加上優異的應變硬化能力使該合金具有優異的強度-延展性協同效應。

 

  1. 在這種異質 (NiCoCr)88Al10Ta2 (at.%)雙相中熵合金(MEA) 中發現的獨特的溫度相關斷裂行為源于裂紋尖端附近區域中 SFs 的溫度相關活動/相互作用，使其在低溫應用中具有優異的裂紋阻止能力和損傷容限。

 

 

  • 數據概覽

圖1.目前 Al10Ta2 MEA 的熱機械加工路線和相應微觀結構的示意圖。

 

圖2. (a) HT和 (b) HR Al10Ta2 MEA的微觀結構特征； (c) 和 (d) 統計平均縱橫比和長度用于熱軋前后的B2相；(e)微孿晶的統計平均厚度( λ )。

 

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圖3. (a, b 和 c) HT和 (d, e 和 f) HR Al10Ta2 MEA 的微觀結構。

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圖4. Al10Ta2 MEA 在 298 和 77 K 下測試的機械響應。

 

圖5. Al10Ta2 MEA 的典型變形微觀結構在 298 K 下變形，顯示了不同斷續應變（a/5%、b/10% 和 c/斷裂）的微觀結構演變。

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圖6. Al10Ta2 MEA 的典型變形微觀結構在 77 K 下變形，顯示微觀結構演變具有不同的間斷應變（a/5、b/12% 和 c/斷裂）。

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圖7. Al10Ta2 MEA的斷口形貌分別在 (a) 298 K 和 (b) 77 K 時拉伸至失效，顯示出兩種溫度下的混合斷裂方式。

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圖8. (a1/b1) 柱頸區域橫截面的 OM 圖像；(a2/b2) 均勻變形區域中，僅顯示 B2 顆粒的開裂只在低溫下發生，分別在 298 和 77 K 下進行的 ND 視圖的失效樣本；(a3/b3)示意圖顯示了目前Al10Ta2 MEA溫度依賴的開裂行為。

圖9. (a) 298 K 和 (b) 77 K 失效樣品的微裂紋特征的顯微CT 表征，(c) 以及裂紋體積密度 ( ρ裂紋) 和裂紋體積尺寸分布方面的統計結果。

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圖10. 在 298 和 77 K 下測試了 Al10Ta2 MEA 裂紋尖端附近基體的變形子結構。

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圖11. 在 298 K 下測試的異質 Al10Ta2 MEA 中每種強化機制的貢獻，表明計算出的σy (Cal. σy ) 與測量的σy (Exp. σy )非常吻合。

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圖12. Al10Ta2 MEA 中溫度依賴性開裂行為的示意圖。

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五、成果啟示

 

通過精細的微觀結構設計，制備了一種超強韌的非均質結構Al10Ta2 ?MEA。

研究了Al10Ta2 MEA在298和77 K下的B2相強化、塑性機制、應變淬透性和斷裂行為。研究表明 (1) 這種新型異質結構雙工Al10Ta2 MEA具有強烈的溫度依賴性； (2) 異質 (NiCoCr)88Al10Ta2 (at.%)雙相中熵合金(MEA) 具有優異的低溫力學響應；(3) Al10Ta2 MEA中所揭示的獨特的溫度依賴性斷裂行為源于裂紋尖端附近區域中 SFs 的溫度相關活動/相互作用，使其在低溫應用中具有優異的裂紋阻止能力和損傷容限。

 

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117981

DOI：10.1016/j.actamat.2022.117981

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