北理工薛云飛&西交大馬恩教授Nat. Mater: 調控面滑移帶大幅度塑化高熵合金

一、導讀

高熵合金(HEA)已經在結構和功能領域大放異彩。近些年，bcc高溫高熵結構材料逐漸被開發，這些材料盡管有高達1GPa的強度，但是塑性卻非常的低，嚴重限制了其應用。局部化學有序(LCO)是高熵合金微觀結構的典型特征，被認為可以有效的提高合金的強度。但是LCO對塑性的影響則充滿爭論。總體而言，LCO被認為對合金的塑性有害，因為LCO將被連續的位錯滑移所摧毀，從而減少了隨后位錯的滑移阻力。這種滑移軟化效應催生了平面滑移，位錯很少從平面滑移帶中交叉滑移，導致位錯在帶內的積累迅速飽和。導致加工硬化速率(WHR)急劇下降，應力集中程度高，因此可以降低抗拉強度(UTD)。由于塑性變形局限于狹窄的高密度位錯壁， bcc HEAs的UTD和延伸至失效通常限制在不超過5%和20%。目前還不確定在什么情況下，LCO誘導的平面滑移帶的不利作用可以被扭轉到它們有助于調節而不是損害塑性的程度.

二、成果掠影

近日，來自北京理工大學的薛云飛教授與西安交通大學的馬恩教授強強聯合，展示了一種在Ti-Zr-V-Nb-Al bcc HEA中調控平面滑移帶的策略，實現了接近純金屬的近50%的延伸至失效率，同時提供了千兆帕級的屈服強度。HEA成分的設計不僅增強了B2- (LCO)，還增加了分散平面滑移的種子位點，而且在變形誘導的LCO破壞時產生多余的晶格畸變，從而促進彈性應變和位錯碎片導致動態硬化。這促使第二波平面滑移帶從第一波帶中分支出來，有效地擴散塑性流并滲透到樣品體積中。此外，豐富的條帶相交，以保持足夠的加工硬化率(WHR)大應變。本工作展示了塑性流動動力學的調整，將原本不受歡迎的變形模式轉變為優勢，為bcc HEAs實現了屈服強度和UTD的同步提升。相關成果以“Tailoring planar slip to achieve pure metal-like ductility in body-centred-cubic multi-principal element alloys”為題發表在國際材料頂級期刊Nature Materials期刊上。

三、核心創新點

(1)首次利用LCO塑化bcc HEA；

(2)闡明LCO提高材料加工硬化從而同步提高UTD以及塑性的原理；

四、數據概覽

圖1 時效和水淬T50 HEAs之間原子結構的差異；a, 時效和WQ-T50 HEAs的SXRD曲線；b，[110]晶帶軸下兩個HEAs的SAED花樣；c,d，時效和WQ-T50 HEAs的原子形貌。c(i)和d(i)是兩個HEAs的HAADF晶格圖像，插圖是相應的FFT圖案，黃色實圓標記LCOs產生的額外衍射點，藍色實圓標記bcc矩陣的Braggs點。c(ii)及d(ii)為從兩個HEAs的IFFT圖像;幾個有代表性的LCO區域用黃色圓圈標出。c(iii)和d(iii)為從bcc布拉格點獲得的IFFT圖像。c(iv)和d(iv)是LCO和bcc IFFT圖像的疊加。c(iv)的插圖顯示了LCO區域的近景;突出顯示在{001}平面上排列的額外LCO(黃色虛線)。其中，d_bcc為正常bcc晶格中{001}面的間距，d_LCO為額外LCO對應的間距。e，f, 時效和WQ-T50 HEAs的原子應變圖；g，兩個HEAs中LCO區域的面積分數。h，由原子應變映射得到的統計分布。紅色曲線和藍色曲線分別是時效合金和WQ - T50合金原子應變概率密度結果的高斯擬合。? 2023 Springer Nature Limited

圖2 時效和水淬WQ-T50合金的拉伸性能；a,工程應力-應變曲線；b, 加工硬化速率曲線；c, d, 屈服強度與均勻伸長率圖(c)和屈服強度與其他bcc合金(包括bcc H/ MEA)相比，T50 HEAs的延伸到失效圖(d). ? 2023 Springer Nature Limited

圖3 時效T50-HEA合金塑性變形過程的組織演變；a,b,d, f-h，分別為2.5%，5%，9%，15%，30%應變和斷裂(~47%)時時效- T50的STEM圖像；c,e，分別為b和d中黃色點框區域的放大圖像；i，在不同應變下發生明顯塑性變形的面積分數F(%)。? 2023 Springer Nature Limited

圖4 塑性變形對T50 HEAs結構性能的影響；a,b，分別為5%應變時效T50位錯通道內外的原子結構；a(i)，b(i)，兩個觀測區域的HAADF晶格圖像，插圖是相應的FFT圖案; a(ii)，b(ii)，兩個觀測區域的IFFT圖像;幾個LCO區域用黃色圓圈標記。a(iii)，b(iii)，兩個觀測區域的原子彈性應變映射([002]方向的法向應變)。c,d, LCO區域的面積分數(c)和彈性應變統計結果(d)。e, TiZr0.65Nb0.28 MD模型的晶格畸變和Ti-Zr Warren-Cowley參數(絕對值，||δTi?Zr||)；f，位錯運動的阻力系數，由位錯速度與剪應力斜率的倒數確定. ? 2023 Springer Nature Limited

五、成果啟示

大量的溫和小剪切帶和平面滑移帶可以提供可控的塑性流動，不像嚴重的失穩的剪切帶那樣破壞塑性。 平面滑移帶增殖策略適合HEA晶體，因為：(1)HEA具有明確定義的滑移面和系統以及可觀測和調控的LCOs，為平面滑移帶增殖提供了充足的位點;(2) HEA的平面滑移帶沒有那么嚴重，加以調控后具有微觀組織加工硬化能力，因此它們不會很快失去穩定性而引發過早的失效。

論文詳情：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01517-0

本文由虛谷納物供稿.