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  2. 中國科學院力學所武曉雷團隊Nature Materials:提出一種加工硬化新策略并創造記錄級力學性能
    2024-04-15 15:18:55 作者:材料學網 來源:材料科學前沿 分享至:

    金屬材料永恒的力學性能追求是同時兼具高強度和大塑性。然而,高強度往往導致低塑性瓶頸,其原因是高強度下位錯難以形成并儲存,嚴重降低了加工硬化能力。為此,中國科學院力學研究所武曉雷研究員領導的研究團隊,提出了一種加工硬化新策略,即利用并控制已經發生的塑性失穩實現加工硬化,并據此策略獲得了記錄級力學性能。


    2024年4月11日,相關研究成果以“Harnessing instability for work hardening in multi-principal element alloys”為題在線發表于Nature Materials期刊上。論文通訊作者為武曉雷研究員,共同第一作者為徐博文、段慧超和陳雪飛博士。


    加工硬化是金屬結構材料拉伸塑性的基礎,其前提是拉伸變形時在晶粒內部形成、增殖并儲存的位錯—位錯之間以及位錯與界面和析出相等的交互作用引起的加工硬化。當晶粒細化至納米尺度時,晶粒內部則很難產生并儲存位錯,降低了加工硬化能力,引起低塑性瓶頸。在高強度納米結構金屬中,如何形成并儲存位錯是實現其加工硬化的難題,更是挑戰。近年來,少數超強鋼和多主元合金獲得了2 GPa左右的屈服強度和大于10%的拉伸塑性。上述合金,要么是易于發生馬氏體相變的亞穩態結構,要么內部具有高密度的納米析出相。然而,在大多數傳統合金中,既沒有納米析出相也不存在馬氏體相變,如果這些合金的屈服強度被提升至2.0 GPa左右,其加工硬化能力不足的問題仍然沒有得到解決。


    在這項工作中,團隊制備了多主元VCoNi合金納米結構,面心立方結構的納米晶粒包含亞納米尺度化學短程有序和第二相L12金屬間化合物。納米結構的初始拉伸變形是呂德斯帶(Lüders band)擴展,研究人員發現:一旦呂德斯帶開始擴展,在其前端就已經發生了塑性失穩、即早期頸縮(premature necking),在頸縮處隨即形成了三軸應力狀態,促進了高密度位錯的快速產生,其中位錯密度增量為9.3×1014 m-2,位錯增殖速度為4.6×1013 m-2·s-1。這些位錯引起了林位錯加工硬化和異質變形誘導硬化,后者是幾何必需位錯與化學短程有序的應變場之間交互作用的結果。在呂德斯帶擴展過程中,加工硬化體現出關鍵作用—反過來抑制并穩定住了呂德斯帶的失穩擴展,還能使納米結構進行均勻變形。據此,研究人員克服了高強納米結構的低塑性瓶頸,得到屈服強度2.0 GPa和拉伸塑性16%的室溫準靜態拉伸性能,這兩個性能在極端低溫(即液氦和液氮溫度)下提升到了前所未有的2.2 GPa和20%。這些結果展現了一個另辟蹊徑的加工硬化策略,即“低加工硬化能力引起早期塑性失穩—失穩則誘導位錯產生和加工硬化—加工硬化反過來抑制失穩”,是一個“抑制失穩”而非傳統“推遲失穩”的加工硬化策略。

    圖1:多主元VCoNi合金的初始微結構。

    圖2:室/低溫力學性能和強度-塑性匹配。

    圖3:呂德斯帶前端的早期頸縮、塑性響應和位錯增殖。

    圖4:拉伸變形后晶粒內部的位錯行為。

    圖5:呂德斯帶擴展和均勻變形過程中的加工硬化。

    圖6:通過利用并控制早期頸縮實現加工硬化。


    此工作拓展了長期以來教科書中對于呂德斯帶變形的傳統理解,揭示了高強納米結構中之前未知的呂德斯帶變形物理,并為研發高力學性能化金屬材料及其極端環境應用提供了新思路。


    相關論文信息: https://doi.org/10.1038/s41563-024-01871-7

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