北理工團(tuán)隊(duì)在化學(xué)局域有序強(qiáng)韌化高熵合金方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-04-11 供稿：材料學(xué)院 王亮,、薛云飛 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：金海波 閱讀次數(shù)：
日前,，北京理工大學(xué)材料學(xué)院薛云飛教授聯(lián)合西安交通大學(xué)材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)中心馬恩教授等在《Nature Materials》發(fā)表題為“Tailoring planar slip to achieve pure-metal like ductility in body-centred-cubic multi-principal element alloys”的研究論文。北京理工大學(xué)為第一完成單位,，北京理工大學(xué)王亮博士后和西安交通大學(xué)丁俊教授為共同第一作者,，薛云飛教授和馬恩教授為論文共同通訊作者。
高強(qiáng)合金的拉伸塑性通常遠(yuǎn)低于單質(zhì)金屬,。特別是體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)的高熵合金（又稱為“多主元合金”）,，其均勻變形能力普遍嚴(yán)重不足。針對這一難題,，研究團(tuán)隊(duì)提出利用化學(xué)局域有序（LCO,，大小在1nm尺度）與晶格畸變場的動(dòng)態(tài)演化和交互作用調(diào)控平面滑移帶的學(xué)術(shù)思想,，將平面滑移（planar slip）誘導(dǎo)變形局域化這一削弱拉伸塑性的機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸嗉?jí)”平面滑移促進(jìn)變形均勻化的塑性提升機(jī)制,。
團(tuán)隊(duì)以Ti-Zr-V-Nb-Al體系BCC高熵合金為研究模型，輔以適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，成功引入大量富Zr-Al鍵的B2型LCO（圖1）,。變形時(shí)， “滑移面軟化”（glide plane softening）產(chǎn)生平面滑移帶,。變形較大后,，平面滑移帶內(nèi)的LCO被破壞，原子尺寸分別明顯大于和小于合金平均值的Zr與Al被顯著分開,，各自帶來較大的晶格畸變,，其產(chǎn)生的阻力與積累的位錯(cuò)碎片聯(lián)合作用，有效阻礙后續(xù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（圖2）,，最終造成滑移帶的動(dòng)態(tài)硬化,。
圖1. 低溫時(shí)效(aged)引入大量B2型LCO
圖2. （a-b）平面滑移帶內(nèi)外的LCO原子像以及晶格應(yīng)變分布；（c）晶格應(yīng)變統(tǒng)計(jì)圖,；（d）平面滑移帶內(nèi)的位錯(cuò)碎片,、位錯(cuò)環(huán)大量累積；（e）滑移帶內(nèi)位錯(cuò)滑移速度變化趨勢
這種滑移帶“先軟化,、后硬化”的作用機(jī)制使得先形成的“初級(jí)”平面滑移帶附近萌生大量“次級(jí)”滑移帶,，并逐漸擴(kuò)展到“初級(jí)”滑移帶間的未變形區(qū)域內(nèi)，這不僅大幅提升合金應(yīng)變分布的均勻性,，同時(shí)“次級(jí)”滑移帶間的相遇,、交叉以及“初級(jí)”滑移帶對“次級(jí)”滑移帶的阻礙等提升了合金均勻變形所必需的加工硬化能力（圖3a-b）。
基于以上新思路,，團(tuán)隊(duì)在具有千兆帕（GPa）級(jí)屈服強(qiáng)度的BCC高熵合金中實(shí)現(xiàn)了可與單質(zhì)金屬相媲美的高拉伸塑性（圖3c-d）：均勻延伸率提升至~25%,、斷裂延伸率高達(dá)~47%。這為開發(fā)高性能合金提供了新的設(shè)計(jì)途徑,，同時(shí)為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)高熵合金的化學(xué)局域有序結(jié)構(gòu)及其對性能的影響提供了指導(dǎo),。
圖3. （a-b）不同變形量下aged-T50的微觀組織STEM圖像,；（a）展現(xiàn)出大量“次級(jí)”平面滑移帶（綠色）在“初級(jí)”滑移帶（紅色）附近萌生擴(kuò)展；（b） “次級(jí)”滑移帶相遇引入大量位錯(cuò)纏結(jié)（紅箭頭）和位錯(cuò)堆積（藍(lán)箭頭）,；（c）兩種合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線和加工硬化率曲線,；（d）兩種合金和其他常見BCC高熵合金、BCC傳統(tǒng)合金的力學(xué)性能對比圖
北京理工大學(xué)王魯教授,、梁軍教授,、靳柯教授，香港城市大學(xué)任洋教授,，河北工業(yè)大學(xué)鄭士建教授,、明開勝副教授，南京理工大學(xué)沙剛教授,，南方科技大學(xué)逯文君研究員,，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Tianyi Li博士等師生為論文共同作者。本工作得到國家自然科學(xué)基金（“葉企孫”科學(xué)基金,、重點(diǎn)基金,、青年科學(xué)基金）、中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目支持,。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01517-0
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