{首页主词},&

重磅《Nature》大子刊：成分對(duì)高熵合金屈服強(qiáng)度的反常尺寸效應(yīng)！

2022-05-24 15:00:51 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

高熵合金（HEAs）是近十年來(lái)研究的熱點(diǎn)。這種多主元素合金可以形成集中的單相固溶體，尤其是面心立方（FCC） CrCoNi基合金，通常表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。HEA固溶體最初被認(rèn)為涉及到不同原子在底層母晶格上的名義上的隨機(jī)化學(xué)排列。然而，最近的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究都證明了元素的非隨機(jī)分布的存在。擴(kuò)展x射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）研究首次表明CrCoNi中的Cr傾向于與Ni和Co形成短程有序鍵合。最近，原子分辨能量色散x射線能譜（EDS）和能量過(guò)濾透射電子顯微鏡都能直接觀察到這種局部化學(xué)異質(zhì)性。此外，考慮這種異質(zhì)性的模型被發(fā)現(xiàn)更適合解釋中子散射中測(cè)量的對(duì)分布函數(shù)。幾項(xiàng)涉及原子模擬的研究也表明，局部化學(xué)排序提高了能量分布的穩(wěn)定性，并提高了FCC合金中位錯(cuò)活性的激活障礙。具體地說(shuō)，HEAs中元素成分的非隨機(jī)分布是以化學(xué)短程序（CSRO）或局部成分在較長(zhǎng)尺度上的變化的形式被發(fā)現(xiàn)的。

基于隨機(jī)固溶體的理論已經(jīng)發(fā)展成為基于位錯(cuò)塑性的HEA強(qiáng)化理論，并成功應(yīng)用于預(yù)測(cè)幾種HEA系統(tǒng)的屈服強(qiáng)度。晶格摩擦和局部堆積錯(cuò)能（SFE）的波動(dòng)激發(fā)了考慮組分異質(zhì)性在調(diào)節(jié)位錯(cuò)活性和變形方面的影響的互補(bǔ)模型。作為充分理解這些HEA濃縮固溶體結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系的關(guān)鍵第一步，定義所有起作用的重要機(jī)制，特別是成分異質(zhì)性的作用，以物理術(shù)語(yǔ)來(lái)表征它們是很重要的。

相比之下，聚集或分離導(dǎo)致不同成分的區(qū)域在更長(zhǎng)的長(zhǎng)度尺度上形成（例如，幾個(gè)納米），其方式與顯示混溶間隙的系統(tǒng)一致。這兩種情況都描述了從局部“有序”到“聚集”的成分異質(zhì)性，相關(guān)的長(zhǎng)度尺度分別從？ngstrom到幾十納米或更多。在目前的工作中，專門研究了與此類結(jié)構(gòu)有序和聚集現(xiàn)象相關(guān)的機(jī)械變形的存在和作用，將在面心立方（FCC）HEA的不同長(zhǎng)度尺度上統(tǒng)稱為“成分異質(zhì)性”。

為了實(shí)現(xiàn)這一重要的理解，需要一個(gè)干凈的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中成分的非均質(zhì)性是眾所周知的，理想情況下是影響材料力學(xué)行為的主要微觀結(jié)構(gòu)特征。但值得注意的是，在整體尺度下，宏觀力學(xué)性能和變形模式代表了受邊界效應(yīng)和取向效應(yīng)影響的無(wú)數(shù)種強(qiáng)化機(jī)制的綜合平均值；因此，與隨機(jī)固溶體相比，檢測(cè)成分非均質(zhì)性的存在及其對(duì)力學(xué)性能的具體影響是很難隔離的。鑒于這些問(wèn)題，這里的方法是專注于小尺度HEAs，其尺寸維度與組成異質(zhì)性的長(zhǎng)度尺度相似，這樣由這種組成異質(zhì)性的存在所產(chǎn)生的內(nèi)在效應(yīng)就不會(huì)被其他現(xiàn)象所掩蓋。從這項(xiàng)工作中獲得的見(jiàn)解將為成分非均質(zhì)性在影響HEAs的變形行為方面的重要作用提供基本的量化。特別是關(guān)于獨(dú)特的變形模式組合的激活，以及控制屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化的機(jī)制。

迄今為止，大多數(shù)關(guān)注HEA尺寸效應(yīng)的微尺度力學(xué)性能報(bào)告僅涉及元素周期表中元素組合相近的合金，如鐵、鈷、鎳、鉻、錳。在這些合金中，可能存在成分不均勻性，但與樣品尺寸相比，長(zhǎng)度尺度可能要小得多，即Lhetero? d、迄今為止，對(duì)HEA的研究涉及的樣本大小從幾微米到數(shù)百納米不等；事實(shí)上，迄今為止的許多研究，使用HEA中數(shù)百納米的樣品尺寸，即遠(yuǎn)大于臨界值，仍然遵循通常的“越小越好”現(xiàn)象。

在此，浙江大學(xué)余倩老師聯(lián)合西安交大丁俊老師、美國(guó)加利福尼亞州伯克利市勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)單晶進(jìn)行原位納米壓縮測(cè)試，量化HEA納米顆粒的尺寸效應(yīng)，研究成分不均勻性對(duì)力學(xué)性能的影響和工作尺寸范圍，特別是屈服應(yīng)力和加工硬化能力。如之前的研究所述，電負(fù)性和原子尺寸差異較大的元素混合物預(yù)計(jì)會(huì)在元素分布中產(chǎn)生更強(qiáng)的不均勻性，從而導(dǎo)致臨界值增加，從而提供了實(shí)驗(yàn)研究局部不均勻性對(duì)機(jī)械性能影響的可能性，樣本大小為d，尺寸為L(zhǎng)critical。相關(guān)研究成果以題“Anomalous size effect on yield strength enabled by compositional heterogeneity in high-entropy alloy nanoparticles”發(fā)表在國(guó)際頂刊nature communications上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30524-z

在本研究中，F(xiàn)e18Co16Ni8Cu20Pd12.5Ir1.5Pt10Au14納米顆粒（見(jiàn)圖1a）用于原位壓縮試驗(yàn)。在裝有PI95納米壓頭的FEI Tecnai G2 F20透射電子顯微鏡中，在<111>的15到30度范圍內(nèi)，采用納米壓縮載荷，對(duì)大約80 nm到300 nm大小的顆粒進(jìn)行機(jī)械測(cè)試。隨著樣品尺寸減小到Lcritical （~ 180 nm）以下，反常的“越小越弱”的尺寸效應(yīng)取代了傳統(tǒng)的“越小越強(qiáng)”的趨勢(shì)。伴隨著從均勻的“流狀”變形到以位錯(cuò)雪崩和災(zāi)難性局部剪切為特征的不穩(wěn)定變形的轉(zhuǎn)變。進(jìn)一步的計(jì)算模擬結(jié)果也表明，成分的非均質(zhì)性將改變HEAs的局部層錯(cuò)能分布，從而改變其變形行為和力學(xué)性能。

圖1：FeCoNiCuPdIrPtAu納米粒子的表征以及直徑大于180 nm的粒子中的“越小越好”現(xiàn)象。a 顯示直徑為50 nm的粒子形態(tài)的HADDF圖像。b HADDF-STEM圖像顯示了含有孿晶的粒子的原子結(jié)構(gòu)（束流方向[110]）。c EDS映射結(jié)果顯示了八種元素在粒子中的分布情況。銅、金和鈀的分布與鐵、鈷、鎳和鉑的分布相似，是互補(bǔ)的；請(qǐng)注意，納米顆粒表面沒(méi)有明顯的貴元素偏析，納米顆粒內(nèi)部發(fā)生成分變化d、f 直徑分別為200 nm和180 nm的大顆粒變形；這些粒子的中心幾乎是電子透明的，因?yàn)樗鼈兊某叽缦鄬?duì)較大，而且它們的成分包含某些原子序數(shù)較大的稀有元素。e 根據(jù)對(duì)（d，f）和尺寸為260 nm的較大顆粒的測(cè)試，工程應(yīng)力與高度曲線收縮之間的關(guān)系顯示出“越小越強(qiáng)”的趨勢(shì)。工程應(yīng)力是根據(jù)連續(xù)記錄的載荷值和使用圓柱體模型計(jì)算的直徑計(jì)算的（詳見(jiàn)方法）。g（d，f）最大寬度圖中的真實(shí)應(yīng)力與膨脹（應(yīng)力根據(jù)實(shí)時(shí)載荷值和從提取的框架測(cè)量的直徑計(jì)算）。

圖2：較小的FeCoNiCuPdIrPtAu納米顆粒的不穩(wěn)定變形行為，顯示出“越小越弱”的現(xiàn)象。

a 直徑為140 nm的顆粒的變形過(guò)程和b 直徑為80 nm的顆粒的變形過(guò)程。c與180 nm尺寸的顆粒相比，80 nm和140 nm較小顆粒的工程應(yīng)力與高度曲線降低的關(guān)系。d對(duì)于80和140 nm尺寸的顆粒，具有代表性的真實(shí)應(yīng)力與最大寬度膨脹曲線……

圖3：用孿晶分割的粒子進(jìn)一步證實(shí)了“越小越弱”的關(guān)系。

a直徑為140 nm的FeCoNiCuPdIrPtAu納米顆粒的屈服過(guò)程，內(nèi)部有孿晶結(jié)構(gòu)，將其分成寬度小于50 nm的較小單元。b對(duì)應(yīng)于（a）中變形過(guò)程的工程應(yīng)力與高度減少曲線。c不同顆粒在其高度降低特定值下的強(qiáng)度分析。對(duì)于三個(gè)以上的粒子，對(duì)每個(gè)顯示的值進(jìn)行平均。如誤差條所述，直徑大于180 nm的顆粒的偏差在15%以內(nèi)，但直徑小于180 nm的顆粒的偏差增加到約33%。

圖4：尺寸相關(guān)屈服強(qiáng)度的MD模擬。

a分別是具有{111}側(cè)表面（根據(jù)原子種類著色）的CrCoNi合金的[110]取向菱形納米線的側(cè)視圖和俯視圖。b分別是無(wú)規(guī)固溶體和退火CrCoNi合金中{110}表面的示例構(gòu)型；（比例尺2?nm）。c具有隨機(jī)固溶體和退火（即在600℃下）的CrCoNi合金納米線的屈服應(yīng)力與樣品尺寸？K），以及純Ni（誤差條顯示平均值周圍結(jié)果的偏差）。樣本大小定義為較大對(duì)角線的長(zhǎng)度。d結(jié)合小體積金屬/合金的經(jīng)典強(qiáng)化效應(yīng)和HEAs的非均勻性誘導(dǎo)軟化，對(duì)高熵合金的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了示意性描述。

基于綜合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬研究的結(jié)果，可以得出結(jié)論，成分不均勻性在影響HEA的力學(xué)性能方面起著重要作用。對(duì)于所研究的實(shí)驗(yàn)樣品，成分不均勻性對(duì)屈服應(yīng)力的影響具有至少幾十納米的臨界長(zhǎng)度尺度，這比隨機(jī)固溶體強(qiáng)化的臨界長(zhǎng)度尺度大得多。在這個(gè)臨界尺寸以下，位錯(cuò)滑移的能量勢(shì)壘高度受特定滑移面上個(gè)別局部化學(xué)排列的影響；因此，由于平面特性的不均勻分布，合金的強(qiáng)度可能會(huì)有所不同。這種由化學(xué)不均勻性改變的尺寸效應(yīng)通常存在于元素分布不均勻的復(fù)雜合金中；其特征長(zhǎng)度尺度以及對(duì)屈服強(qiáng)度和加工硬化能力的影響對(duì)合金的成分和熱處理敏感。結(jié)果不僅揭示了尺寸依賴的屈服強(qiáng)度和成分不均勻性在影響HEA力學(xué)性能中的作用，而且還進(jìn)一步深入了解了濃固溶體的設(shè)計(jì)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)控制成分和熱歷史可以很容易地接近該機(jī)制的特征長(zhǎng)度尺度。

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。