簡介

    隨著社會的發(fā)展，人類加強(qiáng)了對未知領(lǐng)域的探索，因此，對高性能材料的需求愈加緊迫。其中太空探索、極地研究、超導(dǎo)裝置、核反應(yīng)堆和液化氣體儲存等領(lǐng)域需求具有優(yōu)異低溫性能的材料，例如高強(qiáng)度、高塑性、高沖擊韌性等。在火爆熒幕的科幻電影《流浪地球》中，人類需要在零下80度的地球表面活動，而具有優(yōu)異低溫性能的各類工具則極其關(guān)鍵。目前，316不銹鋼由于不具有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變而被廣泛應(yīng)用于低溫環(huán)境中，然而，低屈服強(qiáng)度限制了其應(yīng)用。與傳統(tǒng)的單主元金屬材料鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金和鎂合金等相比，近年來，采用多主元設(shè)計(jì)理念的高熵合金（High-entropyalloy，簡稱HEA）得到了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，用于開發(fā)新材料從而滿足高性能需求。

▲《流浪地球》劇照，圖片來自網(wǎng)絡(luò)。

    近日，中國科學(xué)院金屬研究所、東北大學(xué)、悉尼大學(xué)和浙江大學(xué)合作，通過簡單冷軋和后續(xù)熱處理，成功制備了一種具有完全再結(jié)晶結(jié)構(gòu)的 CoCrFeMnNi 超細(xì)晶（UFG）高熵合金。與通過嚴(yán)重塑性變形（SPD）制備獲得的超細(xì)晶組織相比，完全再結(jié)晶 UFG 材料缺陷少、組織穩(wěn)定。該 UFG 組織可以有效存儲位錯(cuò)等缺陷，從而充分利用細(xì)晶、位錯(cuò)和變形孿晶實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，保障材料具有優(yōu)異的加工硬化能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該材料在室溫和液氮溫度下均具有極其優(yōu)異的強(qiáng)韌性。室溫下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和均勻延伸率分別為 798 MPa、 887 MPa 和 26 %。相比之下，液氮溫度下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和均勻延伸率全面提升，分別為1240 MPa、1460 MPa 和 41 %。與眾多材料相比，該高熵合金的低溫綜合性能更加優(yōu)異。

    該研究提出了利用理想超細(xì)晶結(jié)構(gòu)獲得良好的強(qiáng)韌性匹配，為金屬材料強(qiáng)韌化提供了一種可行的設(shè)計(jì)思路，且采用的軋制制備工藝簡單，可應(yīng)用于實(shí)際的工程材料制備。

    圖文解析

    采用室溫冷軋（軋制量 ~ 92%）結(jié)合 675 ℃ 退火 30 min的工藝方法，成功制備了具有完全再結(jié)晶結(jié)構(gòu)超細(xì)晶高熵合金，平均晶粒尺寸為 650 ± 150 nm，其微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。TEM 照片顯示晶粒內(nèi)并沒有明顯位錯(cuò)缺陷存在，與嚴(yán)重塑性變形制備的超細(xì)晶組織形成明顯對比。

▲ 圖1 再結(jié)晶超細(xì)晶高熵合金的顯微組織

▲ 圖2 再結(jié)晶超細(xì)晶高熵合金的拉伸力學(xué)性能

    該超細(xì)晶高熵合金室溫下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別高達(dá) 798 ± 13 MPa和 887 ± 16MPa，且保持著 26 ± 1 % 的均勻延伸率。液氮溫度下，超高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為 1240 ± 15 MPa和 1460 ± 18 MPa，超高的均勻延伸率為 41 ± 2 %。與常用低溫材料在液氮溫度下的性能相比具有較為明顯的優(yōu)勢。同時(shí)，該超細(xì)晶高熵合金在液氮溫度下表現(xiàn)出極其優(yōu)異的加工硬化能力。

▲  圖3 不同應(yīng)變下超細(xì)晶高熵合金在 77 K下的組織演變

    超細(xì)晶高熵合金在 77 K 下具有優(yōu)異的加工硬化能力，這與低溫拉伸過程中位錯(cuò)和孿生在內(nèi)的多種變形機(jī)制的激發(fā)有關(guān)。在較低應(yīng)變下，平面型位錯(cuò)滑移占主導(dǎo)位置，且隨著應(yīng)變量增加，層錯(cuò)和變形孿晶逐漸被激發(fā)，從而保障較高的加工硬化率。微觀組織見圖3。

    在 293 K進(jìn)行拉伸變形時(shí)，位錯(cuò)滑移主導(dǎo)了超細(xì)晶高熵合金的變形機(jī)制，盡管其層錯(cuò)能較低，但由于晶粒細(xì)化導(dǎo)致的臨界孿生應(yīng)力提升，變形孿晶并沒有被激發(fā)。但當(dāng)變形溫度從 293 K下降到 77 K時(shí)，出現(xiàn)了由位錯(cuò)滑移為主的單一變形機(jī)制向由位錯(cuò)、層錯(cuò)和變形孿晶為主的多級變形機(jī)制轉(zhuǎn)變。正是這種多級變形機(jī)制在低溫下持續(xù)激發(fā)使得超細(xì)晶高熵合金表現(xiàn)出極其優(yōu)異的低溫強(qiáng)韌性。變形機(jī)制示意圖見圖4。

圖4 超細(xì)晶高熵合金變形機(jī)制隨溫度轉(zhuǎn)變示意圖

    本文揭示了超細(xì)晶高熵合金的強(qiáng)韌化機(jī)理，加深了對超細(xì)晶材料組織性能關(guān)系的理解，并為高熵合金在低溫環(huán)境中的應(yīng)用提供了依據(jù)。此外，本文提供了一個(gè)方便可行的強(qiáng)韌化思路，即通過簡單的冷軋和適當(dāng)?shù)臒崽幚恚梢苑奖愕刂苽涑隼硐氤?xì)晶高熵合金，該思路可以很容易拓展到其他材料體系，并在工業(yè)上得到實(shí)際應(yīng)用。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：殷鵬飛

《中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414