上海交通大學(xué)《JMST》：35 %均勻延伸率！低溫下難熔高熵合金孿生誘發(fā)超塑性！
2024-01-23 16:05:58
作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)
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在過(guò)去的十幾年中，通常含有9種難熔元素( Cr、Hf、Mo、Nb、Ta、Ti、V、W、Zr)中至少4種的難熔高熵合金( RHEAs )因其在極端條件下具有良好的性能而引起了廣泛的研究興趣。作為RHEA的原型，Senkov提出的等原子比Ti Zr Hf Nb Ta具有較高的強(qiáng)度和塑性組合。然而，基于螺型位錯(cuò)滑移的主導(dǎo)變形機(jī)制，在單軸拉伸變形下，依靠足夠的應(yīng)變硬化能力來(lái)保持實(shí)質(zhì)性的均勻延展性仍然具有挑戰(zhàn)性。通過(guò)促進(jìn)與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相互競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)械孿生，可以激活孿生誘發(fā)塑性( TWIP )效應(yīng)來(lái)調(diào)控固溶體合金的塑性變形。這種TWIP效應(yīng)從根本上是由于巨大的應(yīng)變硬化能力延遲了塑性失穩(wěn)(頸縮)的發(fā)生。因此，本研究探索TWIP效應(yīng)，使RHEAs具有較強(qiáng)的應(yīng)變硬化行為，從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度-高韌性組合。TWIP效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)Fe - Mn基奧氏體鋼、亞穩(wěn)β鈦合金和具有低層錯(cuò)能的面心立方( FCC ) 3d過(guò)渡高熵合金中。與廣泛研究的FCC高熵合金相比，TWIP效應(yīng)在BCC結(jié)構(gòu)的RHEAs中很少被觀察到。基于"亞穩(wěn)工程"的設(shè)計(jì)策略，利用相變誘導(dǎo)塑性( TRIP )效應(yīng)提高了成分為Ti35Zr27.5 Hf27.5 Nb5Ta5、TiZrHfTax ( x?=?0.4、0.5、0.6)和Ti55 - xZr20Hf15Al10Nbx ( x?=?4-8)的難熔高熵合金的應(yīng)變硬化率。與上述Ti35Zr27.5 Hf27.5 Nb5Ta5和Ti55 - xZr20Hf15Al10Nbx合金在變形過(guò)程中激活了正交α’’相不同，亞穩(wěn)態(tài)TiZrHfTax合金拉伸塑性的提高依賴于六方α相。然而，在亞穩(wěn)態(tài)Ti Zr Hf Nbx ( x?=?0.2 , 0.4)合金中發(fā)現(xiàn)的形變誘導(dǎo)β→α’和β→α’’相變，與穩(wěn)定的Ti Zr Hf Nbx ( x?=?0.6 , 1)合金相比，強(qiáng)烈地惡化了壓縮塑性，而不是改善了壓縮塑性。在FCC高熵合金和亞穩(wěn)β - Ti合金中，TWIP效應(yīng)通常伴隨著TRIP效應(yīng)。適度增加FCC高熵合金的層錯(cuò)能或適當(dāng)提高亞穩(wěn)態(tài)β - Ti的BCC相的穩(wěn)定性，可以促進(jìn)TRIP機(jī)制向TWIP機(jī)制的轉(zhuǎn)變。然而，對(duì)于亞穩(wěn)態(tài)難熔高熵合金，目前尚未發(fā)現(xiàn)孿生誘發(fā)塑性，這表明能夠引發(fā)該效應(yīng)的成分空間可能相當(dāng)狹窄。除合金成分外，溫度是影響位錯(cuò)滑移和機(jī)械孿生競(jìng)爭(zhēng)變形機(jī)制的另一個(gè)重要因素。在低溫下，當(dāng)位錯(cuò)滑移的臨界應(yīng)力急劇增加而孿生應(yīng)力隨溫度降低幾乎保持不變時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生廣泛的孿生。隨著溫度的降低，CrMnFeCoNi和CrCoNi合金的主要變形機(jī)制由293 K時(shí)的位錯(cuò)滑移轉(zhuǎn)變?yōu)?7 K時(shí)的機(jī)械孿生。由于機(jī)械孿生引起的強(qiáng)烈應(yīng)變硬化行為，F(xiàn)CC高熵合金在低溫下的均勻塑性和斷裂韌性顯著提高。機(jī)械孿生使得CrCoNi合金即使在液氦溫度下也是最好的低溫合金的有力競(jìng)爭(zhēng)者。BCC金屬及合金的屈服強(qiáng)度強(qiáng)烈依賴于變形溫度，這可以提供足夠的臨界剪切應(yīng)力來(lái)觸發(fā)機(jī)械孿生。對(duì)于等原子比Ti Zr Hf Nb Ta合金，低溫下可以激活機(jī)械孿晶，從而獲得適中的拉伸塑性。然而，由于缺乏足夠的孿晶分?jǐn)?shù)和孿晶-孿晶交點(diǎn)，應(yīng)變硬化率仍然可以忽略不計(jì)。為了探索具有孿生誘發(fā)塑性的難熔高熵合金( TWIP-RHEAs )，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院上海先進(jìn)高溫材料與精密成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫寶德研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)降低Nb含量并結(jié)合降低變形溫度以激活機(jī)械孿生的方式來(lái)破壞原型Ti Zr Hf Nb高熵合金的BCC結(jié)構(gòu)。通過(guò)控制合金成分和變形溫度，對(duì)亞穩(wěn)態(tài)TiZrHfNbx高熵合金中的TWIP效應(yīng)有了全面的認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究成果以題為TiZrHfNb refractory high-entropy alloys with twinning-induced plasticity發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022400046X
圖1 . Ti Zr Hf Nb0.5合金的顯微組織和拉伸性能：( a )拉伸試樣的工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，( b )室溫( RT )、127 K和77 K下的X射線衍射( XRD )圖譜；( c )初始再結(jié)晶組織；( d1 ~ d3 )分別為室溫、127 K和77 K下的斷口形貌；( e ) 77 K下拉伸應(yīng)變從5 %增加到35 %時(shí)( BSE )圖像下的變形子結(jié)構(gòu)。
圖2 . Ti Zr Hf Nb0.5合金在77 K：( a , d)相圖中經(jīng)過(guò)( a-c ) 10 %和( d-f ) 20 %拉伸應(yīng)變后的變形組織；( b , e)的逆極圖( IPF )和( c , f)的能帶對(duì)比圖與{ 332 }孿晶界重疊。
圖3 . Ti Zr Hf Nb0.5合金在77K經(jīng)10 %拉伸應(yīng)變后的{ 332 }機(jī)械孿晶：( a )與{ 332 }孿晶界重疊的帶狀對(duì)比圖；( b )逆極圖( IPF )顯示了兩種孿生變體；( c )圖2 ( b )中兩條孿晶變體沿紅線的取向差分布圖；BCC矩陣(綠色矩陣)、孿生變體1 (藍(lán)色帶)和孿生變體2 (紫色帶)的( d-f )極圖。
圖4 . Ti Zr Hf Nb0.5合金在77K下經(jīng)20 %拉伸應(yīng)變后的分級(jí){ 332 }機(jī)械孿晶：( a ) IPF；( b ) BCC基體與一次孿晶變體( PV1、PV2)和二次孿晶變體( SV1、SV2、SV3、SV4)的赤平投影圖。
圖5 . 77K變形Ti Zr Hf Nb0.5合金中的納米尺度分級(jí)孿晶組織：10 %拉伸應(yīng)變后孿晶的( a , b) BF圖像和對(duì)應(yīng)的SAED花樣；( c ) 10 %拉伸應(yīng)變后，SA1、SA2和SA3區(qū)的一次、二次和三元孿晶及其相應(yīng)的SAED；20 %拉伸應(yīng)變后二次孿晶的( d-f ) BF圖像、SAED和DF圖像。
圖6 . 77K下10 %拉伸變形Ti Zr Hf Nb0.5合金中多級(jí)孿晶的復(fù)雜程度：( a )初生孿晶的BF和SA1、SA2、SA3、SA4區(qū)域的SAED，并附有相應(yīng)的DF圖像；二次孿晶、二次變體1、二次變體2和三元孿晶的( b-d )放大圖像。
圖7 . 77 K變形Ti Zr Hf Nb0.5合金中孿晶交匯：( a ) 10 %、20 %和35 %拉伸應(yīng)變后的變形亞結(jié)構(gòu)演變；( b-e )孿晶分別在10 %和35 %拉伸應(yīng)變后沿孿晶軸發(fā)生交叉；( f )為沿孿晶軸拉伸應(yīng)變20 %后相交的孿晶。
圖8 . TiZrHfNbx ( x =0.5、0.55、0 )合金在室溫和77 K下的拉伸性能：( a )拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；( b )真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與對(duì)應(yīng)的應(yīng)變硬化率曲線的交點(diǎn)表明頸縮點(diǎn)；( c )與文獻(xiàn)中現(xiàn)有的難熔高熵合金相比，Ti Zr Hf Nbx合金在77 K下的抗拉強(qiáng)度與均勻延伸率。
圖9.TiZrHfNb0.55和TiZrHfNb0.6合金在77K下10 %拉伸應(yīng)變后的微觀組織：( a , b)IPFs和TiZrHfNb0.55和TiZrHfNb0.6合金的孿晶界能帶對(duì)比圖；( c ) ( a )中擴(kuò)大了晶粒的視野；( d )沿( c )中線的取向差剖面；( e1-e5 )為BCC基體與初生孿晶變體和次生孿晶變體的赤平投影圖。
圖10為77 K下Ti Zr Hf Nb0.6合金在10 %拉伸應(yīng)變下單顆晶粒內(nèi)孿晶交匯圖：( a ) BF圖像；( b , c) DF圖像及對(duì)應(yīng)的SAED；( d-f )位錯(cuò)在分割的基體和孿晶帶中。總之，這項(xiàng)研究表明，在TiZrHfNbx高熵合金中，分級(jí)機(jī)械孿晶主導(dǎo)的TWIP效應(yīng)可以顯著改善應(yīng)變硬化能力和強(qiáng)度-塑性組合。對(duì)這些TWIP - RHEAs的探索將為耐火材料多元體系的變形機(jī)制提供顯著的見(jiàn)解，并有助于設(shè)計(jì)高性能的耐火高熵合金。主要結(jié)論可歸納如下：( 1 )在Ti - Zr - Hf - Nb多元成分空間內(nèi)，通過(guò)降低BCC相的穩(wěn)定性和變形溫度，可以在變形過(guò)程中激活大量的形變孿晶，顯著提高材料的應(yīng)變硬化能力，從而獲得孿生誘發(fā)塑性。( 2 )對(duì)于Ti Zr Hf Nb0.5合金，在77 K變形過(guò)程中，通過(guò)連續(xù)形核、長(zhǎng)大、激活高階孿晶帶以及頻繁的孿晶交匯過(guò)程，逐漸形成了多級(jí)復(fù)雜的孿晶網(wǎng)絡(luò)，激活孿晶的寬度從幾微米到十納米不等，平均寬度為1.7 μm，這有助于多尺度孿生框架的產(chǎn)生，主導(dǎo)了動(dòng)態(tài)Hall - Petch效應(yīng)。高階{ 332 }和{ 112 }孿晶在初生{ 332 }孿晶帶內(nèi)部被激活。相比之下，平均寬度為10.6 nm的{ 112 }納米孿晶只存在于預(yù)激活的{ 332 }孿晶內(nèi)部，而內(nèi)部沒(méi)有其他孿晶。( 3 )本研究證實(shí)，在77 K下，通過(guò)小幅度增加Nb含量，可以進(jìn)一步靈活調(diào)節(jié)Ti Zr Hf Nbx合金的強(qiáng)塑性。隨著Nb含量從Nb0.5增加到Nb0.6，Ti Zr Hf Nb0.6合金中{ 332 }形變孿晶的主導(dǎo)作用逐漸減弱，同時(shí)提高了合金的屈服強(qiáng)度。
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