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西工大《Nature》子刊！雙相合金強(qiáng)韌化重大突破！

2022-08-15 14:41:24 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

優(yōu)異的延展性對(duì)合金成型與強(qiáng)化至關(guān)重要，傳統(tǒng)共晶等雙相合金因其有限延展性在先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料中逐漸失去優(yōu)勢(shì)。日前，西北工業(yè)大學(xué)王錦程教授團(tuán)隊(duì)在雙相合金韌化方面取得重大進(jìn)展，提出了一種獨(dú)特的相選擇再結(jié)晶概念，可充分激發(fā)雙相合金固有的優(yōu)異加工硬化能力，顯著提升其延展性。以FCC/B2共晶高熵合金為模型，通過調(diào)控兩相應(yīng)變分配與再結(jié)晶行為，獲得了完全再結(jié)晶的軟相嵌在未再結(jié)晶的骨架狀硬相的相選擇再結(jié)晶組織。該組織消除了變形過程中潛在的裂紋源，促進(jìn)合金發(fā)生持續(xù)加工硬化，使其具有高達(dá)35%的均勻延伸率和接近2 GPa的斷裂真應(yīng)力。相選擇再結(jié)晶策略對(duì)同時(shí)包含軟硬相的雙相合金具有一定普適性，有望促進(jìn)傳統(tǒng)雙相合金作為超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。

相關(guān)論文以“Phase-selective recrystallization makes eutectic high-entropy alloys ultra-ductile”為題，發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊《Nature Communications》上。西北工業(yè)大學(xué)博士生吳慶峰和青年教師何峰教授為共同第一作者，西北工業(yè)大學(xué)王錦程教授、王志軍教授為共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32444-4

通過多道次中等變形量冷軋與高溫退火工藝，作者獲得了相選擇再結(jié)晶（PSR）共晶高熵合金。其中，F(xiàn)CC相完全再結(jié)晶，取向隨機(jī)分布，內(nèi)部包含大量大角度晶界；而B2相保持回復(fù)狀態(tài)，具有部分特定取向、內(nèi)部以小角度晶界為主。該組織完全不同于鑄態(tài)（AC）合金的層片與不規(guī)則混合組織和完全再結(jié)晶態(tài)（FR）合金的等軸雙相組織。相選擇再結(jié)晶合金均勻延伸率相比鑄態(tài)和完全再結(jié)晶態(tài)提升一倍，且表現(xiàn)出優(yōu)異的加工硬化能力，其斷裂真應(yīng)變達(dá)到30%，真應(yīng)力接近2 GPa。通過進(jìn)一步引入位錯(cuò)和析出等強(qiáng)化機(jī)制，可將合金抗拉強(qiáng)度提升至近2.2 GPa，遠(yuǎn)超現(xiàn)有共晶高熵合金。

圖1 相選擇再結(jié)晶合金微觀組織與力學(xué)性能

不同于鑄態(tài)和完全再結(jié)晶態(tài)合金加工硬化未達(dá)到失穩(wěn)條件即發(fā)生斷裂，相選擇再結(jié)晶合金充分加工硬化直至失穩(wěn)。利用原位拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)斷裂機(jī)制深入分析表明相選擇再結(jié)晶合金消除潛在的裂紋源是其塑性提升的關(guān)鍵。鑄態(tài)合金中與加載方向成45°的層片位置極易產(chǎn)生應(yīng)變集中，導(dǎo)致樣品提前失效，其斷口表現(xiàn)出部分脆性斷裂特征。完全再結(jié)晶態(tài)合金消除了層片組織，其應(yīng)變分布相對(duì)均勻。然而，合金中B2相由于再結(jié)晶形成的大量晶界成為新的裂紋源，同樣導(dǎo)致樣品提前失效。相反，相選擇再結(jié)晶合金消除層片組織的同時(shí)不會(huì)在B2相內(nèi)部引入晶界，避免了合金的提前失效。

圖2 相選擇再結(jié)晶合金斷裂機(jī)制

相選擇再結(jié)晶在抑制合金提前斷裂的同時(shí)充分激發(fā)了其組成相固有的優(yōu)異加工硬化能力。在拉伸斷裂的共晶高熵合金試樣中，F(xiàn)CC和B2相內(nèi)部均存在高密度位錯(cuò)，表明兩相具有優(yōu)異的位錯(cuò)增殖與存儲(chǔ)能力，這也使合金表現(xiàn)出超強(qiáng)的背應(yīng)力強(qiáng)化效果。此外，作者還在斷裂試樣中發(fā)現(xiàn)了B2相發(fā)生相變的證據(jù)。對(duì)晶格常數(shù)的測(cè)量表明B2相由變形前的體心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成變形后的體心四方結(jié)構(gòu)。因此，相選擇再結(jié)晶合金的超高塑性是通過激發(fā)FCC和B2相產(chǎn)生高密度位錯(cuò)以及B2相發(fā)生馬氏體相變實(shí)現(xiàn)的。

圖3 相選擇再結(jié)晶合金變形機(jī)制

相選擇再結(jié)晶工藝的基本原理決定了其對(duì)于雙相合金的普適性。對(duì)于同時(shí)包含軟相與硬相的雙相合金，變形過程中軟相會(huì)承擔(dān)更多應(yīng)變。因此，通過合理調(diào)控變形量即可實(shí)現(xiàn)軟相變形量超過其再結(jié)晶臨界變形量，而硬相變形量小于其再結(jié)晶臨界變形量。對(duì)于FCC/B2共晶高熵合金，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果均表明30%是合適的相選擇再結(jié)晶變形量。此外，作者將相選擇再結(jié)晶工藝應(yīng)用于A357鑄造鋁合金中，獲得了相似的強(qiáng)韌化效果。

圖4 相選擇再結(jié)晶工藝與組織形成機(jī)制

綜上所述，本文提出了一種通用的相選擇再結(jié)晶工藝來韌化共晶等雙相合金。通過調(diào)控變形過程中兩相應(yīng)變分配行為，實(shí)現(xiàn)了軟相的選擇性再結(jié)晶，保持了硬相的回復(fù)狀態(tài)。對(duì)比傳統(tǒng)加工工藝，相選擇再結(jié)晶可消除層片相界、硬相晶界等裂紋源，充分激發(fā)兩相持續(xù)的位錯(cuò)增殖和潛在相變等加工硬化能力。在FCC/B2共晶高熵合金中，獲得了35%的均勻延伸率和接近2 GPa的斷裂真應(yīng)力。應(yīng)變分配決定的相選擇再結(jié)晶機(jī)制及該工藝在A357合金中的成功應(yīng)用證明了其對(duì)于雙相合金的普適性。結(jié)合共晶合金自身優(yōu)異的鑄造性能，相選擇再結(jié)晶策略有望促進(jìn)共晶合金作為超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。

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