北理工薛云飞&西交大马恩教授Nat. Mater: 调控面滑移带大幅度塑化高熵合金

虚谷纳物 9个月前 (05-14) 3599浏览

一、导读

高熵合金(HEA)已经在结构和功能领域大放异彩。近些年，bcc高温高熵结构材料逐渐被开发，这些材料尽管有高达1GPa的强度，但是塑性却非常的低，严重限制了其应用。局部化学有序(LCO)是高熵合金微观结构的典型特征，被认为可以有效的提高合金的强度。但是LCO对塑性的影响则充满争论。总体而言，LCO被认为对合金的塑性有害，因为LCO将被连续的位错滑移所摧毁，从而减少了随后位错的滑移阻力。这种滑移软化效应催生了平面滑移，位错很少从平面滑移带中交叉滑移，导致位错在带内的积累迅速饱和。导致加工硬化速率(WHR)急剧下降，应力集中程度高，因此可以降低抗拉强度(UTD)。由于塑性变形局限于狭窄的高密度位错壁， bcc HEAs的UTD和延伸至失效通常限制在不超过5%和20%。目前还不确定在什么情况下，LCO诱导的平面滑移带的不利作用可以被扭转到它们有助于调节而不是损害塑性的程度.

二、成果掠影

近日，来自北京理工大学的薛云飞教授与西安交通大学的马恩教授强强联合，展示了一种在Ti-Zr-V-Nb-Al bcc HEA中调控平面滑移带的策略，实现了接近纯金属的近50%的延伸至失效率，同时提供了千兆帕级的屈服强度。HEA成分的设计不仅增强了B2- (LCO)，还增加了分散平面滑移的种子位点，而且在变形诱导的LCO破坏时产生多余的晶格畸变，从而促进弹性应变和位错碎片导致动态硬化。这促使第二波平面滑移带从第一波带中分支出来，有效地扩散塑性流并渗透到样品体积中。此外，丰富的条带相交，以保持足够的加工硬化率(WHR)大应变。本工作展示了塑性流动动力学的调整，将原本不受欢迎的变形模式转变为优势，为bcc HEAs实现了屈服强度和UTD的同步提升。相关成果以“Tailoring planar slip to achieve pure metal-like ductility in body-centred-cubic multi-principal element alloys”为题发表在国际材料顶级期刊Nature Materials期刊上。

三、核心创新点

(1)首次利用LCO塑化bcc HEA；

(2)阐明LCO提高材料加工硬化从而同步提高UTD以及塑性的原理；

四、数据概览

图1 时效和水淬T50 HEAs之间原子结构的差异；a, 时效和WQ-T50 HEAs的SXRD曲线；b，[110]晶带轴下两个HEAs的SAED花样；c,d，时效和WQ-T50 HEAs的原子形貌。c(i)和d(i)是两个HEAs的HAADF晶格图像，插图是相应的FFT图案，黄色实圆标记LCOs产生的额外衍射点，蓝色实圆标记bcc矩阵的Braggs点。c(ii)及d(ii)为从两个HEAs的IFFT图像;几个有代表性的LCO区域用黄色圆圈标出。c(iii)和d(iii)为从bcc布拉格点获得的IFFT图像。c(iv)和d(iv)是LCO和bcc IFFT图像的叠加。c(iv)的插图显示了LCO区域的近景;突出显示在{001}平面上排列的额外LCO(黄色虚线)。其中，dbcc为正常bcc晶格中{001}面的间距，dLCO为额外LCO对应的间距。e，f, 时效和WQ-T50 HEAs的原子应变图；g，两个HEAs中LCO区域的面积分数。h，由原子应变映射得到的统计分布。红色曲线和蓝色曲线分别是时效合金和WQ - T50合金原子应变概率密度结果的高斯拟合。© 2023 Springer Nature Limited

图2 时效和水淬WQ-T50合金的拉伸性能；a,工程应力-应变曲线；b, 加工硬化速率曲线；c, d, 屈服强度与均匀伸长率图(c)和屈服强度与其他bcc合金(包括bcc H/ MEA)相比，T50 HEAs的延伸到失效图(d). © 2023 Springer Nature Limited

图3 时效T50-HEA合金塑性变形过程的组织演变；a,b,d, f-h，分别为2.5%，5%，9%，15%，30%应变和断裂(~47%)时时效- T50的STEM图像；c,e，分别为b和d中黄色点框区域的放大图像；i，在不同应变下发生明显塑性变形的面积分数F(%)。© 2023 Springer Nature Limited

图4 塑性变形对T50 HEAs结构性能的影响；a,b，分别为5%应变时效T50位错通道内外的原子结构；a(i)，b(i)，两个观测区域的HAADF晶格图像，插图是相应的FFT图案; a(ii)，b(ii)，两个观测区域的IFFT图像;几个LCO区域用黄色圆圈标记。a(iii)，b(iii)，两个观测区域的原子弹性应变映射([002]方向的法向应变)。c,d, LCO区域的面积分数(c)和弹性应变统计结果(d)。e, TiZr0.65Nb0.28 MD模型的晶格畸变和Ti-Zr Warren-Cowley参数(绝对值，||δTi−Zr||)；f，位错运动的阻力系数，由位错速度与剪应力斜率的倒数确定. © 2023 Springer Nature Limited

五、成果启示

大量的温和小剪切带和平面滑移带可以提供可控的塑性流动，不像严重的失稳的剪切带那样破坏塑性。 平面滑移带增殖策略适合HEA晶体，因为：(1)HEA具有明确定义的滑移面和系统以及可观测和调控的LCOs，为平面滑移带增殖提供了充足的位点;(2) HEA的平面滑移带没有那么严重，加以调控后具有微观组织加工硬化能力，因此它们不会很快失去稳定性而引发过早的失效。

论文详情：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01517-0

本文由虚谷纳物供稿.

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