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International Journal of Plasticity：高熵合金是潛在的沖擊防護(hù)領(lǐng)域的新寵

2019-12-04 14:08:50 作者：非晶中國(guó) 來(lái)源：非晶中國(guó) 分享至：

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圖片來(lái)源：非晶中國(guó)大數(shù)據(jù)庫(kù)

極端條件存在于航空航天，核反應(yīng)堆，國(guó)防軍工等重要領(lǐng)域，不斷對(duì)材料的品質(zhì)提出更高的要求。要求材料服役在諸如高溫、低溫、高速碰撞、強(qiáng)輻照、強(qiáng)腐蝕等極端環(huán)境中，能夠保持足夠的強(qiáng)度和韌性、穩(wěn)定性和完整性等。目前能夠在這些極端工況下服役的傳統(tǒng)材料難以實(shí)現(xiàn)材料的綜合性目標(biāo)。此外，目前服役材料的性能也有待進(jìn)一步提高。

高熵合金的應(yīng)運(yùn)而生，不僅在材料科學(xué)領(lǐng)域開拓了更廣闊的認(rèn)知空間，單從相結(jié)構(gòu)形成、位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)方面就給了我們新的認(rèn)知挑戰(zhàn)；而且在材料性能方面，尤其是復(fù)雜條件下的綜合性能方面給出了巨大的探索空間。從青銅時(shí)期的一兩種元素、稀釋混合，到不銹鋼、超合金、非晶合金的多組元、高濃度混合，高熵合金的高濃度組元似乎是合金發(fā)展的主流方向，其成分開發(fā)需要不斷拓展，潛在的應(yīng)用性能更需要不斷挖掘。然而，目前已報(bào)到的性能主要集中在高溫、低溫、準(zhǔn)靜態(tài)服役條件下，對(duì)其沖擊性能的表征，沖擊下變形機(jī)制的探索是不足的，而高熵合金在沖擊防護(hù)領(lǐng)域的工作也需要不斷推進(jìn)和深化。

近日，太原理工大研究人員基于分離式霍普金森拉桿實(shí)驗(yàn)裝置，研究了典型多組元高濃度的面心立方高熵合金的沖擊拉伸行為，發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性同時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)象，即強(qiáng)度明顯提升的同時(shí)，韌性也有增加，見圖1。這代表了這一類高熵合金有很強(qiáng)的沖擊防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

基于此發(fā)現(xiàn)，研究人員調(diào)研了傳統(tǒng)材料在沖擊領(lǐng)域的性能報(bào)道，從高熵合金顯著的特點(diǎn)----多組元高濃縮固溶體出發(fā)，提出化學(xué)短程有序這一在多組元高濃縮固溶體中較普遍存在的原子排布特征在材料熱激活變形中起到重要的作用，另外這一化學(xué)短程有序在位錯(cuò)的聲子曳引方面也起到一定作用，見圖1。結(jié)合此推論可以較好地解釋廣泛的材料群在強(qiáng)度的應(yīng)變率敏感研究中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見圖3。

同時(shí)，研究人員通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)高速?zèng)_擊與低溫在合金變形中有接近的微結(jié)構(gòu)演化特征，例如高速?zèng)_擊下的孿晶含量更高、更加密集，位錯(cuò)特征呈現(xiàn)平面滑移特征；而準(zhǔn)靜態(tài)下主要是波狀滑移的位錯(cuò)胞特征，見圖2。這些顯著微結(jié)構(gòu)差異決定了合金在加工硬化方面的差異。基于此微結(jié)構(gòu)差異特征，研究人員通過(guò)將位錯(cuò)密度、孿晶含量等微結(jié)構(gòu)信息作為內(nèi)稟量，通過(guò)模型建立成功地描述了在寬泛應(yīng)變率下性能與微結(jié)構(gòu)演化之間的關(guān)系，見圖2。

此外，研究人員基于較全面的文獻(xiàn)分析，給出低溫、高應(yīng)變率下合金韌性提升的建議：即“適度孿晶/相變”原則，見圖3。孿晶、相變可以極大地提升加工硬化能力，但如果在高速或者低溫變形下孿晶、相變?cè)鲩L(zhǎng)過(guò)快會(huì)導(dǎo)致材料的過(guò)早破壞，而在高速加載下由于絕熱溫升引起的孿晶與相變被抑制反而使加工硬化變?nèi)酢Ｗ髡咴谖恼轮幸卜治鼋o出高熵合金能勝任這一“適度孿晶原則”的原因在于短程有序?qū)\晶過(guò)快增長(zhǎng)的抑制作用，以及已經(jīng)被報(bào)道的高熵合金的抗絕熱軟化的特點(diǎn)。

綜上，該項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)了高熵合金在極端工況下服役的另一個(gè)方面---沖擊防護(hù)領(lǐng)域的優(yōu)異性能，并提出多組元高濃縮導(dǎo)致的化學(xué)短程有序在合金熱激活與聲子曳引變形機(jī)制中的關(guān)鍵作用。并且結(jié)合微觀機(jī)理分析給出沖擊、低溫等工況下服役材料設(shè)計(jì)的初步指導(dǎo)。

相關(guān)研究成果近日發(fā)表于材料力學(xué)期刊International Journal of Plasticity, （Int. J. Plast. 124（2020）， 226-246）。第一作者為博士生張團(tuán)衛(wèi)，通訊作者為王志華教授和喬珺威教授。文章鏈接：Simultaneous enhancement of strength and ductility in a NiCoCrFe high-entropy alloy upon dynamic tension: Micromechanism and constitutive modeling.“ International Journal of Plasticity 124（2020）， 226-246.https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.08.013

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圖1. NiCoCrFe高熵合金在準(zhǔn)靜態(tài)（10-3/s）和動(dòng)態(tài)（103/s）拉伸下的性能特征：（a）在兩種條件下的真應(yīng)力應(yīng)變曲線；（b）在不同應(yīng)變下的應(yīng)變率敏感度，可以發(fā)現(xiàn)高熵合金擁有高的應(yīng)變率敏感度；（c）和（d）分別代表熱激活模型結(jié)合聲子曳引效應(yīng)在寬泛溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)對(duì)屈服強(qiáng)度變化的預(yù)測(cè)。

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圖2. NiCoCrFe高熵合金在準(zhǔn)靜態(tài)（10-3/s）和動(dòng)態(tài)（103/s）拉伸下的主要微結(jié)構(gòu)特征及結(jié)合微結(jié)構(gòu)信息的模型對(duì)寬泛應(yīng)變率下加工硬化行為的預(yù)測(cè)；（a）和（b）分別為準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下的微結(jié)構(gòu)（位錯(cuò)胞和孿晶）特征；（c）和（d）為考慮微結(jié)構(gòu)信息的模型對(duì)加工硬化的預(yù)測(cè)。

圖3. （a）和（b）分別為在廣泛的材料中存在的由應(yīng)變率變化（10?3到103 /s）引起的屈服強(qiáng)度變化、極限強(qiáng)度變化與最大應(yīng)變變化的匯總圖，由圖可知高熵合金擁有顯著的強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高的正應(yīng)變率效應(yīng)；（c）為結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研，初步提出的低溫和沖擊條件下韌性增加的”適度孿晶/相變“原則。

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