Acta Materialia∣孙军院士“异质双相中熵合金”取得巨大突破

try123 2年前 (2022-07-29) 1716浏览

  • 导读

中/高熵合金 (M/HEAs) 因其良好的机械性能而受到广泛关注，特别是面心立方 (FCC) M/ HEA 在低温条件下表现出异常的机械响应。面心立方 (FCC) M/ HEA中具有代表性的是粗晶 (CG) NiCoCr MEA，在低温下表现出高强度、大延展性和高断裂韧性。如何在保证延展性的同时提高其屈服强度这是一个有待解决的问题。

为此，西安交通大学孙军院士团队设计制造了一种高强度且具有延展性的异质结构 Al10Ta2 MEA ，其在低温应用中具有优异的裂纹阻止能力和损伤容限。相关研究成果以题“The B2 phase-driven microstructural heterogeneities and twinning enable ultrahigh cryogenic strength and large ductility in NiCoCr-based medium-entropy alloy”发表在金属顶刊Acta Materialia上。

  • 成果掠影

本文设计了异质 (NiCoCr)88Al10Ta2(at.%)双相中熵合金(MEA)，该合金由面心立方(FCC)基体和B2相组成，具有优异的低温力学响应。当温度从298K降低到77 K时，其屈服强度、极限强度和拉伸延展性分别从~ 1.1 GPa、1.4 GPa和20%提高到~ 1.5 GPa、1.8 GPa和25%。多种强化机制加上优异的应变硬化能力使该合金具有优异的强度-延展性协同效应。这种独特的B2裂纹行为首次在多组份合金中被发现，根据不同温度下B2裂纹尖端的应力场强度和FCC基体的止裂能力之间的竞争进行了合理的解释。

  • 核心创新点

  1. 异质 (NiCoCr)88Al10Ta2(at.%)双相中熵合金(MEA) 具有优异的低温力学响应。当温度从298K降低到77 K时，其屈服强度、极限强度和拉伸延性分别从~ 1.1 GPa、4 GPa和20%提高到~ 1.5 GPa、1.8 GPa和25%。多种强化机制加上优异的应变硬化能力使该合金具有优异的强度-延展性协同效应。

  1. 在这种异质 (NiCoCr)88Al10Ta2(at.%)双相中熵合金(MEA) 中发现的独特的温度相关断裂行为源于裂纹尖端附近区域中 SFs 的温度相关活动/相互作用，使其在低温应用中具有优异的裂纹阻止能力和损伤容限。

  • 数据概览

图1.目前 Al10Ta2 MEA的热机械加工路线和相应微观结构的示意图。

图2.(a) HT和 (b) HR Al10Ta2 MEA的微观结构特征； (c)和 (d)统计平均纵横比和长度用于热轧前后的B2相；(e)微孪晶的统计平均厚度( λ )。

图3.(a, b和 c) HT和 (d, e和 f) HR Al10Ta2 MEA的微观结构。

图4.Al10Ta2 MEA在 298和 77 K下测试的机械响应。

图5.Al10Ta2 MEA的典型变形微观结构在 298 K下变形，显示了不同断续应变（a/5%、b/10%和 c/断裂）的微观结构演变。

图6.Al10Ta2 MEA的典型变形微观结构在 77 K下变形，显示微观结构演变具有不同的间断应变（a/5、b/12%和 c/断裂）。

图7.Al10Ta2 MEA的断口形貌分别在 (a) 298 K和 (b) 77 K时拉伸至失效，显示出两种温度下的混合断裂方式。

图8.(a1/b1)柱颈区域横截面的 OM图像；(a2/b2)均匀变形区域中，仅显示 B2颗粒的开裂只在低温下发生，分别在 298和 77 K下进行的 ND视图的失效样本；(a3/b3)示意图显示了目前Al10Ta2 MEA温度依赖的开裂行为。

图9. (a) 298 K和 (b) 77 K失效样品的微裂纹特征的显微CT表征，(c)以及裂纹体积密度 ( ρ裂纹)和裂纹体积尺寸分布方面的统计结果。

图10.在 298和 77 K下测试了 Al10Ta2 MEA裂纹尖端附近基体的变形子结构。

图11.在 298 K下测试的异质 Al10Ta2 MEA中每种强化机制的贡献，表明计算出的σy(Cal. σy)与测量的σy(Exp. σy)非常吻合。

图12. Al10Ta2 MEA中温度依赖性开裂行为的示意图。

五、成果启示

通过精细的微观结构设计，制备了一种超强韧的非均质结构Al10Ta2 MEA。

研究了Al10Ta2 MEA在298和77 K下的B2相强化、塑性机制、应变淬透性和断裂行为。研究表明 (1) 这种新型异质结构双工Al10Ta2 MEA具有强烈的温度依赖性； (2) 异质 (NiCoCr)88Al10Ta2(at.%)双相中熵合金(MEA) 具有优异的低温力学响应；(3) Al10Ta2 MEA中所揭示的独特的温度依赖性断裂行为源于裂纹尖端附近区域中 SFs 的温度相关活动/相互作用，使其在低温应用中具有优异的裂纹阻止能力和损伤容限。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117981

DOI：10.1016/j.actamat.2022.117981

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