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  2. 《Scripta》:抗拉高達(dá)1297MPa!“孿生工程”助力高熵合金性能大幅提高!
    2021-02-25 15:27:06 作者:材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源:材料學(xué)網(wǎng)微信公眾號(hào) 分享至:

    導(dǎo)讀:本文通過(guò)從TWIP鋼領(lǐng)域借鑒變形孿晶概念,設(shè)計(jì)了一種CoCrFeMnNi高熵合金的熱機(jī)械處理方法,以改善其機(jī)械性能。在77 K下使用預(yù)應(yīng)變將變形誘發(fā)的孿晶引入合金的微觀結(jié)構(gòu)中,然后通過(guò)在773 K上進(jìn)行退火來(lái)回收它,同時(shí)避免了再結(jié)晶。在此熱處理后,通過(guò)在77 K時(shí)的預(yù)應(yīng)變產(chǎn)生的形變誘發(fā)孿晶得以保留,同時(shí)發(fā)生了位錯(cuò)的部分恢復(fù)。結(jié)果,大大改善了合金的室溫機(jī)械性能,包括其應(yīng)變硬化能力。


    變形誘發(fā)孿晶(DTs)是阻礙位錯(cuò)的有力障礙 。高錳孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP)鋼中的持續(xù)形變孿晶使位錯(cuò)的平均自由程不斷減小,從而使應(yīng)變變硬并提高了延展性 。此外,發(fā)現(xiàn)TWIP鋼中的變形誘發(fā)孿晶在高達(dá)約898 K的溫度下具有熱穩(wěn)定性。基于DT的這種熱穩(wěn)定性,大約十年前提出了一條冶金路線以提高TWIP鋼的屈服強(qiáng)度。它包括以下步驟:首先,在室溫下施加預(yù)應(yīng)變以生成變形誘發(fā)的孿晶。隨后在773 K進(jìn)行退火,目的是通過(guò)靜態(tài)恢復(fù)降低位錯(cuò)密度,同時(shí)由于DT的熱穩(wěn)定性高于位錯(cuò)而維持DT。通過(guò)這種“孿生工程”,實(shí)現(xiàn)了TWIP鋼高屈服強(qiáng)度和均勻伸長(zhǎng)率的良好組合。


    材料工程領(lǐng)域的一個(gè)令人激動(dòng)的發(fā)展是新型材料的問(wèn)世,該材料包括高濃度的多個(gè)主要元素,被稱為高熵合金(HEA)。它們開(kāi)發(fā)于1970年代,但由于其卓越的機(jī)械特性而在最近的十年中脫穎而出。具體地說(shuō),面心立方(FCC)HEA在從低溫到環(huán)境溫度均表現(xiàn)出出色的機(jī)械性能。這些屬性的基礎(chǔ)機(jī)制與變形引起的孿生或相變相關(guān)。


    在此,韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué) 提出了一種進(jìn)一步改善高熵合金拉伸性能的方法。首次將基于熱機(jī)械路線(預(yù)應(yīng)變和恢復(fù))的策略轉(zhuǎn)化為高熵合金。殘余變形引起的孿晶使合金的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度分別增加到1,284 MPa和1,297 MPa,并且在室溫下具有相當(dāng)大的應(yīng)變硬化速率。這些優(yōu)異的機(jī)械性能歸因于在77 K時(shí)的預(yù)應(yīng)變形成的形變誘發(fā)孿晶,從而降低了位錯(cuò)的平均自由程。相關(guān)研究成果以題“Twinning Engineering of a CoCrFeMnNi High-Entropy Alloy”發(fā)表在Scripta Materialia上。


    論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113808

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    經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的熱機(jī)械處理的等原子HEA Co 20 Cr 20 Fe 20 Mn 20 Ni 20在773 K熱處理期間,由在77 K變形引入的變形誘發(fā)孿晶得以保留,而部分位錯(cuò)得以恢復(fù)。殘余變形引起的孿晶使合金的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度分別增加到1,284 MPa和1,297 MPa,并且在室溫下具有相當(dāng)大的應(yīng)變硬化速率。

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    圖1 (a)在室溫和77 K下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)在77 K下預(yù)應(yīng)變的試樣的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線。應(yīng)變硬化率(SHR)隨真實(shí)應(yīng)變的相應(yīng)變化以紅色顯示。垂直虛線表示低溫預(yù)應(yīng)變的選定值和SHR的伴隨水平。


    合金的延展性也得到改善,因?yàn)闅堄嘧冃我鸬膶\晶起到提高位錯(cuò)積累的作用。然而,由于相當(dāng)大的位錯(cuò)密度在恢復(fù)熱處理后仍然存在,因此獲得的拉伸伸長(zhǎng)率增加是適度的,這限制了合金的應(yīng)變硬化能力。

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    圖2。EBSD KAM圖和恢復(fù)熱處理之前和之后預(yù)應(yīng)變?cè)嚇拥南鄳?yīng)分布圖:(ac)P20和P20 + HT,(df)P35和P35 + HT,以及(gi)P50和P50 + HT 。

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    圖3。(a)退火,(b)P20 + HT,(c)P35 + HT和(d)P50 + HT合金的EBSD圖像質(zhì)量圖。(ad)中的黑線和紅線分別表示晶界(GB)和雙晶界(TB)。

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    圖4。(a)工程和(b)退火后的P20 + HT,P35 + HT和P50 + HT合金在室溫下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c)(b)中曲線的并置沿橫坐標(biāo)偏移了77 K時(shí)的預(yù)應(yīng)變。(d)SHR是具有不同熱力學(xué)歷史的合金樣品的真實(shí)應(yīng)力的函數(shù)。(d)中的黑色實(shí)線對(duì)應(yīng)于Considère標(biāo)準(zhǔn)。

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    圖5所示。室溫屈服強(qiáng)度與現(xiàn)有和先前報(bào)道的CoCrFeMnNi合金晶粒尺寸的關(guān)系。CG和FG分別代表粗粒和細(xì)粒。


    綜上所述,本文針對(duì)特殊高熵合金Co 20 Cr 20 Fe 20 Mn 20 Ni 20開(kāi)發(fā)的兩步熱機(jī)械處理策略可以進(jìn)一步微調(diào)以提高性能。我們還希望該處理概念將適用于更廣泛的HEA。

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