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《JMST》：抗拉3.37GPa，延伸率13.7%！實(shí)現(xiàn)高熵鋼強(qiáng)塑性的新突破！

2022-01-05 10:25:51 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：本文采用磁控濺射法制備Fe72.4Co13.9Cr10.4Mn2.7B0.34高熵鋼。該合金的屈服強(qiáng)度為2.92±0.36 GPa，而在極限抗壓強(qiáng)度（3.37±0.36 GPa）下，其塑性為13.7±1.9%。其中鐵和鉻的分布表現(xiàn)出一種不尋常的、典型的旋回模式。在納米尺度上，F(xiàn)e和Cr的組成表現(xiàn)出強(qiáng)烈的反相關(guān)性和變化達(dá)百分之二十。材料的高強(qiáng)度主要是由于材料的成分變化、具有體心立方（BCC）晶體結(jié)構(gòu)的細(xì)小晶粒以及硼的晶界偏析。塑性是由多面、多特征位錯(cuò)滑移的形成和操作調(diào)節(jié)的，由共格界面介導(dǎo)，并由剪切帶控制。優(yōu)異的強(qiáng)度和延性結(jié)合通過一系列獨(dú)特的強(qiáng)化機(jī)制得以實(shí)現(xiàn)，使這種新合金成為安全關(guān)鍵的承重結(jié)構(gòu)應(yīng)用的潛在的候選對(duì)象。

自2014年以來，包括高熵鋼（一種基于Fe的復(fù)雜合金（CCA））在內(nèi)的高、中熵合金（分別為HEAs和MEAs）因其優(yōu)異的力學(xué)性能而受到越來越多的關(guān)注。這些合金顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，因此，提供了解決材料開發(fā)中以前未解決的挑戰(zhàn)的機(jī)會(huì)，例如在不犧牲延展性的情況下創(chuàng)造高強(qiáng)度材料。有趣的是BCC HEAs已經(jīng)被證明具有優(yōu)越的高溫強(qiáng)度，同時(shí)保持良好的室溫塑性。這歸因于沿位錯(cuò)校心的原子尺度化學(xué)漲落造成的額外的位錯(cuò)路徑。鑒于這一突破，設(shè)計(jì)BCC合金用于航空航天和發(fā)電的承重應(yīng)用是可能的。近年來，MoNbTi材料通過控制位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使其具有良好的強(qiáng)度和延性，這主要是由于位錯(cuò)在非螺旋性質(zhì)位錯(cuò)中占主導(dǎo)地位，且位錯(cuò)滑動(dòng)的滑移面較多。與此同時(shí)，與傳統(tǒng)鋼相比，高熵鋼的重量降低了10%，強(qiáng)度和延性都有所提高。因此，BCC CCAs有潛力克服的局限性，傳統(tǒng)的BCC合金，如強(qiáng)度-延展性的平衡。

高熵合金的關(guān)鍵特征之一是利用不同原子半徑的多種主元素導(dǎo)致高程度的晶格畸變，通過限制位錯(cuò)滑動(dòng)口產(chǎn)生了增強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果。這種效應(yīng)在對(duì)VCoNi合金的研究中得到了很好的證明，通過與已經(jīng)令人印象深刻的CrCoNi合金進(jìn)行比較，當(dāng)用鋼取代鉻時(shí)，一種甚至更高強(qiáng)度的合金被創(chuàng)造出來，而對(duì)延展性幾乎沒有犧牲。在上述情況下，釩的加入增加了晶格應(yīng)變，釩的原子半徑與鈷和鎳的原子半徑有很大的不同。其中，鉻的原子半徑與鈷和鎳的原子半徑非常接近），導(dǎo)致摩擦應(yīng)力（以Peierl應(yīng)力定量）為383MPa，是其他HEAs的3倍在另一項(xiàng)研究中，Cantor合金中的Mn，即CrMnFeCoNi，被第二排過渡金屬元素（即鈀）取代。這導(dǎo)致了納米尺度上拉伸和壓縮應(yīng)變場(chǎng)的交替形成，通過抑制位錯(cuò)滑移進(jìn)一步提高了屈服強(qiáng)度。CrFeCoNiPd的強(qiáng)化機(jī)制與VCoNi的強(qiáng)化機(jī)制不同，這是由于其成分波動(dòng)具有明顯的周期性。有趣的是，在失衡分解過程中，組分也出現(xiàn)了波動(dòng)，即在亞穩(wěn)區(qū)出現(xiàn)了兩種相，這種變化發(fā)生在混溶隙的中心區(qū)域，由向上擴(kuò)散使自由能最小化驅(qū)動(dòng)。這一項(xiàng)來自于“自旋結(jié)”，它標(biāo)志著相邊界的頂點(diǎn)，在這里，系統(tǒng)從一個(gè)均勻的過飽和矩陣相轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)或多個(gè)相的非均相混合物，具有不同的化學(xué)計(jì)量比。失衡分解通過提供強(qiáng)擴(kuò)散障礙和引入反相邊界來提高加工硬化能力。不同區(qū)域的一致性有助于最大限度地減少應(yīng)變累積，這意味著局部裂紋的產(chǎn)生受到抑制。此外，它對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生抑制作用，從而增強(qiáng)了強(qiáng)度，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力與旋節(jié)微結(jié)構(gòu)中濃度梯度的強(qiáng)度成正比。

晶界在多晶材料中普遍存在，影響材料的力學(xué)強(qiáng)度。因此，調(diào)節(jié)晶界作為一種提高材料強(qiáng)度的方法受到了廣泛的關(guān)注。這方面的一個(gè)例子是晶界偏析工程，其中間隙元素偏析到晶界。這有很多好處，比如加強(qiáng)連接口、減少災(zāi)難性故障事故的概率、提高內(nèi)聚性和降低界面能來穩(wěn)定納米晶體。通過在Fe40Mn40Cr10Co10合金中加入硼，晶界偏析工程同時(shí)提高了晶體的強(qiáng)度和塑性，在同等或更好的塑性條件下，屈服強(qiáng)度提高了～40%。通過提高晶面黏聚力可以進(jìn)一步提高金屬延性。這種方法被認(rèn)為是在不改變基體成分的情況下提高合金強(qiáng)度的一種有效有效且經(jīng)濟(jì)的方法。

澳大利亞阿德萊德大學(xué)的S.J. Tsianikas等人采用磁控濺射法制備了一種具有類旋節(jié)結(jié)構(gòu)BBC高熵鋼，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。除富硼晶界外，富鐵區(qū)（貧鉻區(qū)）和富鉻區(qū)（貧鐵區(qū)）具有顯著的結(jié)構(gòu)特征。鐵和鉻的分布遵循典型的納米波模式，其中鐵和鉻的組成變化有20%左右差別。高強(qiáng)度和延性的結(jié)合，使得其潛在機(jī)制被揭開。相關(guān)研究以題為“Forging strength–ductility unity in a high entropy steel”發(fā)表在材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)（Journal of Materials Science & Technology）上。

本文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030221010446

該合金具有柱狀組織，平均晶粒寬度約為100 nm，無堆垛錯(cuò)或?qū)\晶界等平面缺陷。此外，該合金是均勻的，沒有孔隙或不連續(xù)區(qū)域。APT測(cè)定的合金成分的原子百分?jǐn)?shù)為Fe72.40Co13.90Cr10.41Mn2.74B0.34，其余為微量雜質(zhì)（< 0.3 at.%）。這與目標(biāo)成分（即Fe49.5Mn30Co10Cr10B0.5）有很大的不同，這可能是由于在施加偏壓的磁控濺射過程中存在的原子遷移率差異和離子轟擊效應(yīng)。由于硼是一種輕元素，APT在識(shí)別和測(cè)量硼含量方面尤為重要。通過EDS觀察到Fe和Cr含量在~5 nm波長處出現(xiàn)較大的周期性波動(dòng)。富Fe區(qū)和富Cr區(qū)具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，且具有相干性，即兩者之間既不存在離散界面，也不存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)。晶界區(qū)富含Cr和B，缺Fe。富Cr區(qū)和富Fe區(qū)之間的晶格失配是通過將EDS和漂移校正幀集成（DCFI）的HR-STEM數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的FFT測(cè)量與使用晶格失配的標(biāo)準(zhǔn)方程來確定的，大約為0.5%。

圖1所示為高熵鋼的組織和成分特征：（a）由TKD數(shù)據(jù)構(gòu)建的圖像質(zhì)量（IQ）圖，（b）對(duì)應(yīng)的TKD逆極圖（IPF）顯示了獨(dú)特的柱狀結(jié)構(gòu)，（c）對(duì)應(yīng)的TKD相圖（其中綠色表示BCC相），（d） STEM圖像顯示了原始的BCC晶體結(jié)構(gòu)，（e）折射率衍射模式，和（f-i） Fe, Cr, Co和Mn的計(jì)數(shù)圖分別來自STEM-EELS光譜成像。補(bǔ)充材料中提供了捕捉EELS光譜成像的STEM-HAADF。

圖2所示：（a）原子探針斷層重建顯示Fe、Mn、Co和Cr合金樣品，通過沖橫截面與二維組分地圖描繪Cr和Fe原子百分比的分布；（b）通過（a）中二維成分剖面中圓柱體表示的感興趣區(qū)域的一維原子成分線剖面。

圖3所示：原子探針斷層掃描二維的地圖通過晶界區(qū)域（a）Fe、（c）Cr 和（d）B 。（b）和（e）提供了組成元素的一維組成剖面，b等濃度面（1.5%閾值），通過b等濃度面獲得了（e）所示的一維剖面。Fe-Cr調(diào)制也是明顯的，Cr和B選擇性地分離到GB中，F(xiàn)e也隨之減少。

圖4所示：（a）原位微柱壓縮過程中獲得的兩個(gè)典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）用于后續(xù)TEM分析的微柱死后SEM圖像（虛線表示原始尺寸），顯示受控剪切變形使其具有良好的室溫塑性。

圖5所示為對(duì)合金試樣壓痕變形的分析：（a）最大載荷為200 mN時(shí)試樣變形的IPF，（b） 400 mN時(shí)試樣變形的IPF，對(duì)應(yīng)的相圖為（c）和（d），其中BCC結(jié)構(gòu)用綠色表示。（b）中的插圖中的STEM圖像為BCC結(jié)構(gòu)，在黃色矩形標(biāo)記的附近得到。

圖6所示為失活后柱試樣剪切區(qū)位錯(cuò)分析顯示沿區(qū)軸方向有邊緣分量的位錯(cuò)：（a）沿[110]區(qū)域軸的STEM圖像顯示存在1/2[1?11]個(gè)純邊緣位錯(cuò)，圖中用于TEM分析的感興趣區(qū)域用紅色方框標(biāo)記；（b）對(duì)應(yīng)的FFT濾波圖像顯示了未閉合的Burgers電路，（c）和（d）圖像顯示了附近觀察到的[110]位錯(cuò)1/2[1?10]邊緣分量。

變形后，合金保持其主要的BCC晶體結(jié)構(gòu)（> 98%），沒有非晶化，也沒有在STEM成像中觀察到的孿晶界或堆垛斷層等平面缺陷。合金的晶粒形態(tài)也表現(xiàn)出明顯的重構(gòu)，直接在凹口下方出現(xiàn)規(guī)則的等軸晶粒，而在邊緣處，柱狀晶粒變窄。微柱壓縮表明，在高應(yīng)力下，材料發(fā)生剪切變形，這是一個(gè)高度位錯(cuò)主導(dǎo)的過程。特別是在失活試樣中，在高度變形區(qū)域內(nèi)觀察到大量完美的純邊緣位錯(cuò)和既有邊緣成分又有螺釘成分的混合位錯(cuò)。結(jié)合上述及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得出：在這些嚴(yán)重變形的區(qū)域，既沒有變形孿晶，也沒有裂縫，因此可以斷言其具有良好的室溫合金的可塑性。

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