上海大学首篇《Science》诞生！高熵合金领域取得重大进展

2021-08-20 11:28:15 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

日前，上海大学钟云波教授团队联合北京科技大学王沿东团队在“共晶鱼骨高熵合金的多级裂纹缓冲效应及其辅助的超高塑韧性”方面取得重大进展，以Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys为题，在国际顶尖期刊《Science》上在线发表。其中上海大学为第一署名单位，上海大学钟云波教授、德国马克斯-普朗克研究所D. Rabbe教授和北京科技大学的王沿东教授为共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1126/science.abf6986

在人造延展性材料中宽容裂纹是违反直觉的，因为这些广泛的微观破坏经常会触发材料的过早失效，因而伴随着令人失望的低拉伸塑性。在本研究中，一种新型的共晶高熵合金材料中打破了这一趋势，研究发现：当这种材料被可控的凝固成类似鱼骨的多级共晶结构时，高密度裂纹不仅不会恶化性能反而可以做为一种有效的应变补偿者去改善材料塑性。这一突破源于仿生激发的多级裂纹缓冲效应，其允许多重微裂纹的广泛成核，但在随后的巨大应变范围内显著抑制了它们的灾难性生长和破坏。结果，在不牺牲强度的情况下，这种共晶鱼骨材料获得了高的断裂韧性，特别是其延伸率达到了前所未有的50%，是传统铸态共晶材料的3倍。

图1 （A-C）传统铸态的共晶高熵合金展现出典型的双相（B2/L12）共晶层片结构，瞬态凝固时通过共晶转变获得，其相邻晶粒间的层片生长方向明显不同。（D-I）定向凝固的共晶鱼骨高熵合金展现出沿定向凝固（箭头）方向定向生长的柱状晶结构。

在这些柱状晶中，他们观察到组织形貌明显不同的两种共晶团（eutectic colony）：晶粒中间的是沿定向凝固方向生长的B2/L12共晶层片（alignedeutectic colony，AEC），边缘是与定向凝固方向呈30°~60°夹角的分支B2/L12共晶层片（branched eutecticcolony，BEC）。基于这些特征，这种定向凝固的EHEA呈现出一种新型的多级组装的仿生鱼骨结构。他们发现这种仿生鱼骨结构是由胞状固-液界面沿定向凝固方向定向生长形成的，凝固时两种共晶团（AEC & BEC）中的层片均垂直于胞状界面生长。

图2 室温拉伸曲线

室温拉伸曲线显示定向凝固的多级鱼骨结构实现了显著改善的拉伸塑性，相应的均匀延伸率从传统共晶高熵合金的~16%增加到了目前的~50%。没有牺牲强度，反而是相比传统铸态试样屈服强度提高了150 MPa。虽然定向凝固的鱼骨高熵合金含有大量的高硬度、低延展性的B2相（~41 vol%），但却拥有50%的超高均匀延伸率。这样高的延伸率可媲美于广泛研究的、高延展性的、完全均匀化的面心立方高熵材料。因此，通过定向凝固制备的多级鱼骨结构所实现的强塑性匹配（尤其是均匀延性）显著优于任何其它铸态共晶和近共晶高熵合金材料。

图3 变形和断裂机制分析

通过对两种材料的变形和断裂机制的详细表征，他们发现：定向凝固材料拉伸塑性的显著提高归因于其多级的鱼骨结构和这种结构诱导的强裂纹缓冲效应。定向凝固的鱼骨结构可以诱发低塑性B2层片中多重微裂纹稳定的、持续的、晶体学性的形核和生长。然后，相邻高韧性L12层片的动态应变硬化行为可以贡献显著的裂纹缓冲能力，这有效避免了裂纹的灾难性生长和破坏。因此，高密度裂纹不仅不会恶化性能反而可以做为一种有效的应变补偿体去弥补B2层片低的拉伸塑性，促使试样整体具有超高的延伸率。

图4 L12层片中动态的微结构细化（A-F），原位的高能同步辐射试验（G和H）

L12层片中动态的微结构细化（A-F）可以诱导强的应变硬化能力，因而致使其具有超优的裂纹钝化和缓冲能力，防止裂纹造成的材料过早失效。此外，结合原位的高能同步辐射试验（G和H），他们发现L12层片强的动态应变硬化行为可以贡献高的载荷承担能力，这有效抵消了B2层片中微裂纹引起的潜在软化效应，即拉伸曲线中常见的由微裂纹引起的应力下降事件。

总的来说，本文提出并设计了一种多级的仿生鱼骨共晶结构，该结构兼顾了高的裂纹宽容能力和高的均匀延伸率；通过构筑多级的鱼骨共晶结构，使材料具有超优的塑性——不是通过避免裂纹而是通过引导和缓冲裂纹实现；这种微结构设计方法也可以在其它由软硬相组成的块体材料中实现，对于指导更广泛的共晶型高熵/传统合金的性能改善具有显著的实际意义。

值得一提的是，截止目前，上海大学钟云波团队在高熵合金领域已发表了多项顶刊研究成果，例如：

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

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

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