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三校聯(lián)合發(fā)表《Science》子刊：重大發(fā)現(xiàn)！高熵合金極限變形的非晶化！

2021-02-01 13:35:51 作者：本網(wǎng)整理來源：材料學網(wǎng)微信公眾號分享至：

導讀：未來日益嚴酷的使用條件將需要不斷提高材料的變形能力，而不會造成材料持續(xù)損傷，同時又保持其高強度。本文通過對等原子CrMnFeCoNi高熵合金進行模壓，隨后進行準靜態(tài)壓縮或剪切動態(tài)變形，作者觀察到由層錯、孿晶、由面心立方向密排六方結構轉變的致密結構，尤其是非晶化。層錯和孿晶沿{111}平面的協(xié)調傳播產生高變形區(qū)，這些高變形區(qū)可重組為六邊形包；當這些區(qū)域的缺陷密度達到臨界水平時，它們會產生非晶材料島。這些區(qū)域具有出色的機械性能，可提供額外的強化和增韌機制，以提高這些合金承受極端載荷的能力。

金屬具有永久變形的能力，這種特性被稱為延展性，可以被塑成管子或其他復雜形狀而不會斷裂。這種特性對金屬及其合金的使用具有深遠的影響，因為它們可以形成多種形狀，在操作過程中，通過對其尖端進行塑性變形，從而使其鈍化，從而防止裂紋的形成和擴展。金屬表現(xiàn)出這種特性的機制已經(jīng)被研究了100年，并且存在一種發(fā)展良好的塑性理論，其基礎是三種主要機制：位錯、孿晶和相變。在非常罕見的情況下，第四種機制也能起作用，即通過非晶化破壞晶體結構的機制。

HEA由Cantor等人獨立開發(fā)。2004年；這些合金中的某些合金，尤其是主要以面心立方（fcc）的CrCoNi基HEA被證明具有出色的強度和延展性，從而導致很高的斷裂韌性，即具有抗斷裂的能力……

基于CrCoNi的HEA表現(xiàn)出位錯介導的可塑性，孿生誘導的可塑性以及在特定合金中的相變誘導的可塑性（TRIP）的多種變形途徑。TRIP效應，它涉及到一個FCC到密排六方（hcp）相變，已在三元件CrCoNi合金報道，和非等原子HEA與由于它們的堆垛層錯能量明顯較低；然而，迄今為止，在經(jīng)典等原子CrMnFeCoNi Cantor HEA中尚無明顯證據(jù)表明這種由變形引起的（在環(huán)境壓力下）相變。

基于此，美國加利福尼亞大學、卡內基梅隆大學和英國牛津大學研究學者發(fā)現(xiàn)在很高的應變速率載荷下，在Cantor合金中可以觀察到TRIP效應。表明在高應變和/或高應變速率下，會出現(xiàn)一種額外的但罕見的變形機制，即固態(tài)非晶化，這似乎是極端載荷條件下結構轉變的特征。相關研究成果以題“Amorphization in extreme deformation of the CrMnFeCoNi high-entropy alloy”發(fā)表在國際頂級材料期刊Science advances上。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabb3108

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作者首先對材料CrMnFeCoNi Cantor合金進行預處理，以將高位錯密度引入退火后的晶粒中。圖1A中的電子背散射衍射（EBSD）圖顯示了型鍛后觀察到的結構，該合金經(jīng)受了0.8的標稱應變。變形的晶粒清晰可見，并且晶粒內的帶狀特征為滑移帶。透射電子顯微鏡（TEM）（圖1B）證實產生了高密度的位錯。這種高水平的塑性變形及其相關的高密度缺陷在準靜態(tài)和動態(tài)條件下都引入了實質性的強化。

準靜態(tài)應力應變曲線和動態(tài)應力應變曲線均表明該合金的強度在1 ~ 2 GPa之間。然而，這并不明顯損害延性，因為在準靜態(tài)變形下，合金繼續(xù)表現(xiàn)出0.8的應變，最終的總應變?yōu)?.95。這種雙重強度和延展性的響應保證了即使在極端的負載條件下也具有高韌性。

圖1 變形后的CrMnFeCoNi HEA的初始微觀結構，機械響應和示意性樣品幾何形狀。

（A）初始微觀結構的EBSD圖（具有反極圖），顯示了晶粒大小為？100μm的變形晶粒。（B）變形樣品的TEM顯微照片，顯示出高密度的位錯結構。請注意，在EBSD和TEM表征中，只能觀察到很少的變形孿晶。這可能歸因于型鍛過程的獨特應變路徑，該路徑不利于激活孿生的應力積累。（C）機械響應，（D和E）分別為圓柱形和帽形樣品的示意圖。

圖2 受到準靜態(tài)壓縮的鍛造CrMnFeCoNi HEA的變形微觀結構。

（一）TEM明場圖像顯示出大量的平面變形特征。（B）高變形區(qū)域的高分辨率TEM顯微照片，具有變形孿生，hcp相和非晶區(qū)域三個獨特區(qū)域。相應的晶格圖像分別在（C到E）中給出。（D）中的hcp區(qū)域經(jīng)過傅里葉變換-濾波以最大程度地提高相位對比度。

圖3 受到動態(tài)壓縮/剪切作用的CrMnFeCoNi HEA的變形微觀結構。

（A）宏觀絕熱剪切帶附近的孿晶，堆垛層錯，hcp相和非晶帶的明場圖像，如圖1E所示。（B）選定區(qū)域的電子衍射圖顯示了fcc基體，孿生點和hcp衍射的存在。（C）高分辨率TEM圖像顯示了納米級孿晶和堆垛層錯（SF）的共存。（D）hcp和fcc相之間的界面的傅立葉濾波晶格圖像。（E）非晶帶[（A）中的紅色方塊]和相應的快速傅里葉變換衍射儀的高分辨率TEM圖像。

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圖4 等變形CrCoNi基HEA經(jīng)受變形程度增加的分層變形機制范例。

彈性變形，位錯介導的可塑性，孿生誘導的可塑性，TRIP，最后是固態(tài)非晶化。觸發(fā)下一個機制需要生成其他缺陷，即位錯和/或點缺陷（空位）。這些多種機制可以相互作用，從而導致強化過程的協(xié)同作用以及由此產生的高度復雜的微觀結構。

綜上所述，作者提出非晶化實際上是在HEA中表現(xiàn)出來的另一種變形機制，除了位錯介導的可塑性，機械孿晶和馬氏體fcc→hcp相變之外，它還提供了各種途徑來耗散傳遞的應變能。HEA中變形機制的多功能性和協(xié)同作用使它們成為極端承重應用（如沖擊穿透，保護和極端低溫環(huán)境）的可行候選者。與大多數(shù)商業(yè)結構材料相比，預變形的等原子CrMnFeCoNi HEA具有更高的吸收沖擊應變能。通過調整成分（進一步降低堆垛層錯能量）和熱處理（引入更高密度的缺陷），我們相信將有可能最大限度地發(fā)揮這些有益作用，從而創(chuàng)造出專門用于極端負載環(huán)境用途的新型優(yōu)質金屬合金

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