西工大Nature 子刊：新思路，讓共晶合金既強又塑

一、 導讀

優異的延展性不僅對成形至關重要，而且對強化金屬和合金也至關重要。迄今為止，最廣泛使用的共晶合金由于有限的塑性，在先進結構材料中面臨競爭力下降的問題。共晶合金在人類文明史上占據了主導地位，如農業社會中的鑄鐵，現代工業中的鑄造鋁合金，以及先進金屬材料中的共晶高熵合金。優異的可鑄造性，無偏析/缺陷，以及自生的雙相使共晶合金在低成本的量產和優異強度-塑性組合方面具有顯著優勢。隨著先進結構材料的快速發展，這些優勢正在消失，因為共晶合金的變形性能不理想。共晶合金在單軸拉伸過程中，弱界面，包括相界(PBs)和晶界(GB)的開裂導致合金過早失效。這種情況導致共晶合金的拉伸伸長率較低。延緩裂紋萌生和阻止裂紋擴展是迄今為止維持共晶合金應變硬化的唯一成功途徑:例如，通過控制凝固過程細化組織，通過熱成形或嚴重塑性變形再結晶兩相，然后進行后續退火。雖然這些方法延緩了共晶合金的早期斷裂，但由于大量裂紋形核，共晶相的應變硬化并沒有完全觸發，因此獲得超塑共晶合金仍然具有挑戰性。

二、成果掠影

近日，西北工業大學王錦程教授團隊報告了一種獨特的相選擇再結晶概念，通過完全觸發雙相的應變硬化能力來克服共晶合金的這一挑戰。本工作對共晶高熵合金(EHEA)中兩相的應變分配行為進行了調控，得到了完全再結晶的軟相嵌在硬相骨架中的相選擇性再結晶顯微組織。由此產生的微觀組織消除了弱邊界，充分釋放了EHEA的應變硬化能力。相選擇性再結晶EHEA在真應力為~ 2 GPa的情況下獲得了~ 35%的高延性均勻伸長率。這一概念適用于各種具有軟硬相的雙相合金，為傳統共晶合金作為高強度金屬材料開辟了新領域。西北工業大學博士生吳慶峰和青年教師何峰教授為共同第一作者，西北工業大學王錦程教授、王志軍教授為共同通訊作者。相關成果以“Phase-selective recrystallization makes eutectic high-entropy alloys ultra-ductile”為題發表在國際知名期刊Nature communications 期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32444-4

三、核心創新點

(1) 首次提出雙相選擇再結晶概念，有助于變形過程中加工硬化的釋放，提高合金的塑性；為共晶合金塑性的有效提高開辟了新途徑。

(2)揭示了軟相-硬相組織協調變形的機制。

四、數據概覽

?

圖1 PSR EHEA的顯微組織和力學性能；a-c，AC、FR和PSR EHEAs中FCC(上)和B2(下)相的電子背散射衍射(EBSD)反極圖(IPF)圖。插頁顯示相應的極圖(PF)；d AC、FR、PSR EHEAs的拉伸真應力-應變曲線；e，與傳統的AC、FR和UFG EHEAs相比，現有的PSR和進一步強化的PSR EHEAs的極限抗拉強度與均勻延伸率。

圖2 PSR EHEA的斷裂機制；a. AC、FR和PSR EHEAs的應變硬化速率曲線；b-d AC、FR和PSR EHEAs的斷裂截面和表面。B2相內的微裂紋用黃色箭頭表示。c中的插圖顯示了典型微裂紋周圍B2相的EBSD IPF圖，揭示了裂紋在GB處萌生；d中的插圖比較了FR和PSR EHEA之間的微裂紋數量密度，揭示了PSR EHEA的開裂傾向下降。誤差條表示標準偏差；e、f， μ-DIC結果表明，AC EHEA和PSR EHEA在拉伸變形過程中應變局部化嚴重，PSR EHEA應變分布均勻。所有圖像的拉伸方向都是水平的。

圖3 PSR EHEA的變形機理；a. 斷裂AC EHEA中形成位錯亞結構；b、c. 位錯亞結構分別出現在18%和35%拉伸的PSR EHEAs中；d-f. 斷裂PSR試樣原始B2相分別從[001]、[011]、[11]晶帶軸獲得的SAED圖，顯示出體心四方(BCT)晶體結構；超晶格用紅色圓圈標出；g. 變形前后晶體結構變化示意圖.

圖4 PSR的加工路線及形成機制；a. 加工路線和相應的微觀結構演變示意圖。對PSR, AC EHEA進行30%冷軋(CR)， 1200℃退火2次。FCC相、B2相、PB、GB/TB分別用青色、黃色、黑色、紅色標注；b. AC EHEA在拉伸試驗中的原位μ-DIC結果，揭示了FCC相和B2相在變形過程中的應變分配。c. 局部von Mises應變沿b中黃色箭頭的變化，顯示出更高的應變分配到FCC相。

五、成果啟迪

非均勻異質結構是一種非常有效的可以同時提高合金強度和塑性的顯微結構，已經在眾多材料中獲得了應用。本文提出的選擇再結晶概念，是對異質結構的進一步深入探索，具有普適性。