北理工团队《Acta Materialia》：异质结构高熵合金研究重要进展！
2023-12-11 14:26:34
作者：材料基 来源：材料基
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北京理工大学材料学院马兆龙、程兴旺课题组近日在异质结构高熵合金研究中取得重要进展。2023年11月，相关研究成果以“Pursuing ultrastrong and ductile medium entropy alloys via architecting nanoprecipitates-enhanced hierarchical heterostructure”为题在国际知名期刊《Acta Materialia》上发表。博士生郭世康为第一作者，北京理工大学材料学院马兆龙教授，程兴旺教授为论文共同通讯作者，北京理工大学为第一单位。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119492纳米沉淀相强化的中/高熵合金（M/HEAs）具有优异的力学性能，有潜力作为新型结构材料投以应用。然而，进一步增强这些材料通常依赖于增加纳米沉淀相的体积分数或者引入更硬的金属间化合物，这不可避免地会牺牲材料延展性。为了使合金达到更优异的强塑性匹配，课题组提出了一种策略，通过在Co30Cr20Ni40V5Ta5新型中熵合金中构建多重异质结构，在有效提高合金强度的同时保持优异的塑性。该异质结构包含了高体积分数的D022-γ”纳米沉淀物、可剪切和不可剪切的金属间化合物，以及具有异质晶粒结构的低层错能（SFE）基体。变形过程中，多种组织带来的协同强化机制，有效的提高了合金的应变硬化能力，实现了1323 MPa/1690 MPa的屈服/极限拉伸强度和29 %的拉伸伸长率的优异力学性能。这项研究为通过控制多尺度微观结构的不均匀性来设计超强韧性金属材料提供了范例。如图1所示。为了进一步分析纳米析出相和异质结构带来的协同强化效果，文中将包含不同组织的Co30Cr20Ni40V5Ta5合金进行对比分析，包括单相合金（SP）、纳米沉淀相强化合金（NP）、金属间化合物+异质晶粒结构合金（IHG）和纳米沉淀物+金属间化合物+异质晶粒结构合金（NPIHG），合金的力学性能和相应组织如图1所示。为了进一步对比合金不同组织的协同强化作用，分别对不同组织的Co30Cr20Ni40V5Ta5合金做循环加载试验计算变形过程中合金的非均匀变形诱导应力，结果如图2所示，包含有多重异质结构的NPIHG合金的非均匀变形诱导应力明显高于SP、NP和IHG合金。图2 合金的非均匀变形诱导应力（hetero-deformation induced (HDI) stress）（a） SP、NP、IHG和NPIHG的加载-卸载-再加载（LUR）循环拉伸真实应力-应变曲线;（b）图（a）中阴影区域中典型磁滞回线的放大图;（c）SP、NP、IHG和NPIHG合金的HDI应力（σHDI）。（d）合金中HDI应力与流变应力之比（σHDI/σflow）的比较。为了进一步分析NPIHG合金表现出优异力学性能的原因，对比分析了不同应变下NPIHG合金和IHG合金的变形亚结构演化。结果如图3所示，随着应变增加，NPIHG合金中出现大量层错、变形孪晶与L-C位错锁，而IHG合金中仅出现层错。变形过程中，层错、变形孪晶和L-C位错锁有效阻碍位错运动从而提高合金的加工硬化能力，这也是NPIHG合金表现出优异的强塑性匹配原因之一。图3 NPIHG合金和IHG合金在不同应变下的变形亚结构。图4对比了所研究合金与已报道的具有不同组织结构的中/高熵合金的力学性能。尽管NPIHG合金的强度低于一些已报道的合金（UTS>2GPa），但由于多重异质结构有效增强了NPIHG合金的加工硬化能力，NPIHG合金表现出目前已报道最优的强塑性匹配。合金优异的塑性来源于变形过程中不同组织间的协同强化机制，即来自FCC基体的固溶强化，D022-γ''纳米沉淀相的共格强化和有序强化，D024-η粒子的Orowan强化（位错绕过），D019-ε相的位错切过强化，以及异质晶粒结构的HDI强化。图4 合金与其他具有典型微观组织结构的中/高熵合金的室温力学性能的比较。（a）总伸长率与屈服强度（YS）的关系和（b）总伸长率与极限抗拉强度（UTS）的关系。综上所示，马兆龙、程兴旺课题组设计了含有多重异质结构的Co30Cr20Ni40V5Ta5新型高性能中熵合金，实现了1323MPa/1690MPa的屈服/极限拉伸强度和29%的拉伸延展性的优异强度-延展性组合。文章提出的设计具有多尺度异质结构和变形亚结构激活能力的微观结构的方法可以广泛应用于许多其他金属材料，包括先进钢材、高温合金和中/高熵合金。
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