上海大学首篇Science：共晶鱼骨高熵合金的多级裂纹缓冲

在人造的韧性材料中，一些诸如裂纹之类的微观损伤就能降低材料的服役寿命。像骨骼这类的生物复合材料，因其具有精细的多级微结构，可以很好地抵御裂纹，但却不具有高的延展性能。现在，有一项研究成功化解了这种互不兼容的矛盾。

上海大学钟云波教授团队联合北京滚球体育 大学王沿东教授团队合作，展示了一种定向凝固的原位复合材料-共晶高熵合金（EHEA），成功地协调了裂纹容限和高延伸率。可控凝固后的共晶高熵材料呈现出一种新型的多级共晶鱼骨结构，能够实现仿生的多级裂纹缓冲。这种效应结果诱导了稳定、持续、沿晶体学迹线生长的微裂纹，因而在塑性差的共晶层片中形成了高密的多重微裂纹。惊讶的是，相邻的动态应变硬化韧性共晶层片可以施加给这些裂纹一种多级的裂纹缓冲效应，因而有效地避免了裂纹不可控的灾难性生长和破坏。研究的自缓冲共晶鱼骨高熵材料产生了超高的均匀拉伸延伸率（约50%），是传统不具备缓冲能力EHEAs的3倍，且没有牺牲强度。

这项成果以题为“Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys”发表在了Science。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教授和北京滚球体育 大学的王沿东教授为共同通讯作者，钟云波教授指导的上海大学18级博士生时培建为第一作者。

【图文导读】

图1 多级的的共晶类鱼骨微结构

(A-C) 传统铸造的EHEA作为参考材料。(A) SEM背散射电子图像。(B）电子背散射衍射（EBSD）相图（左）和反极图（IPF）（右）。(C) 传统铸造EHEA的微结构示意图。

(D-I）定向凝固的EHEA展现出多级的共晶鱼骨结构。（D）和（E）中的黑色箭头表示定向凝固DS方向，也是图2A中的拉伸加载方向。(D) SEM背散射电子图像显示，定向凝固结构是由柱状晶粒组成的。晶粒边界由黑色虚线标记。(E) 放大的EBSD相图和IPF图，显示柱状晶粒由AEC和BEC组成。黑色实线和虚线分别标记晶粒和菌落的边界。

(F-I）分别是凝固的这种多级类鱼骨结构的示意图和它的形成原理。(G) B2和L1₂相的HAADF-STEM图像和相关SAED图。HAADF-STEM图像显示了干净的双相层片。(H) B2和L1₂相的SHE-XRD表征。

图2 环境温度下的拉伸响应

(A) 与传统铸造的EHEA相比，定向凝固的鱼骨EHEA的工程应力-应变曲线，显示了均匀拉伸延展性的大幅增加，而强度没有任何降低。定向凝固的鱼骨EHEA没有后均匀延伸率（即颈缩）。试样是被沿着DS方向进行拉伸加载。插图显示了相应的应变-硬化曲线。MDIH和MBIH分别指多重平面滑移位错诱导的硬化和微带诱导的硬化。

(B) 与之前报道的铸态共晶和近共晶HEAs的力学性能相比，定向凝固的鱼骨EHEAs展现出异常优异的强塑性结合。(N-)EHEAs是指共晶和近共晶HEAs。传统的（N-）EHEAs包括直接铸造和电弧熔炼的共晶和近共晶HEAs。

图3 共晶鱼骨结构激发的多级裂纹缓冲效应

(A-C) SEM背散射电子图像显示了从软BEC到强AEC的顺序激活的滑移线。(B)中的插图显示了放大的交叉滑移线。

(D) SEM图像显示了相邻柱状晶粒之间的协调变形，没有晶粒边界开裂。黑色实线和虚线分别标志着晶粒和菌落的边界。

(E-H) AEC中控制良好的微裂纹演变。插图（上图，放大；下图，示意图）说明了动态的微裂纹演变。

(I) 基于EBSD的图像质量（IQ）和含有核心平均错位（KAM）叠加的IQ图。

(J) AEC中微裂缝长度、微裂缝密度和补偿应变的演变。第I至第III阶段分别对应于25-30%、30-40%和40-50%的拉伸应变。数据是平均值±SD。

(K)多级裂纹缓冲效应的原理示意图。

图4 L1₂韧性共晶层片承载响应的微观结构和微观力学研究

(A-B) L1₂和B2层片的平面滑移位错。

(C) L1₂薄片中变形引起的微带。

(D,E) 动态滑移带细化[(D)和(E)，顶部]的HAADF-STEM图和新的滑移带和交叉滑移的位错，分别由红线和黄色箭头标记[（E），底部]。

(F) 变形引起的微带。环状SAED图案（插图）表明这些微带类似于低角度晶界（而不是机械孪晶）。

(G) 拉伸加载过程中B2和L1₂相（即sB2和sL1₂）的实时应力分配。

(H) 在拉伸应变~48%的情况下，沿全方位角η（0°~360°）方向的2D X射线衍射图像。

【应用】

研究团队认为这些机制对于指导更广泛的铸态共晶型HEAs和传统合金的性能改善具有实际意义。这种微结构理念和方法也大有可能用于其它由软硬相组成的人造合成材料中。对这些材料进行多级的鱼骨状微结构构筑，进而引导和缓冲裂纹，制备抗裂纹和高变形相兼容的材料。此外，这种共晶鱼骨型微结构构筑方法和理念不仅对开发具有高伸长率的新型多级结构合金，而且对设计具有良好断裂韧性的新型骨替代生物材料具有很好的指导意义。

值得一提的是，钟云波团队近两年多来已在该领域取得多次突破。他们先是在《Nature Communications》上报道了共晶高熵合金独特的微层片遗传特性，所构筑的双相多级异质层状结构在拉伸加载时，能够触发强的异质变形诱导的硬化能力，因而可以显著改善超细晶共晶高熵材料的力学性能。然后，通过定制应力依赖的多重硬化机制，创新性地将多类型形变纳米孪晶与多尺度异质变形硬化效应多重耦合，开发出一种具备顺序激活的多阶段应变硬化能力的超细晶共晶高熵合金，发表在国际顶尖杂志《Materials Today》上。

【文献链接】

1.Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys（Science，2021，DOI:10.1126/science.abf6239）

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

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

感谢第一作者时培建对本文所做的贡献。