北理工團(tuán)隊(duì)在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中熵合金研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-12-18 供稿：材料學(xué)院 郭世康 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
2023年11月，北京理工大學(xué)材料學(xué)院馬兆龍,、程興旺課題組近日在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中熵合金研究中取得重要進(jìn)展,。相關(guān)研究成果以“Pursuing ultrastrong and ductile medium entropy alloys via architecting nanoprecipitates-enhanced hierarchical heterostructure”為題在國(guó)際知名期刊《Acta Materialia》上發(fā)表,。博士生郭世康為第一作者，北京理工大學(xué)材料學(xué)院馬兆龍教授，程興旺教授為論文共同通訊作者,，北京理工大學(xué)為第一單位,。
納米沉淀相強(qiáng)化的中/高熵合金（M/HEAs）具有優(yōu)異的力學(xué)性能，有潛力作為新型結(jié)構(gòu)材料投以應(yīng)用,。然而,，進(jìn)一步增強(qiáng)這些材料通常依賴(lài)于增加納米沉淀相的體積分?jǐn)?shù)或者引入更硬的金屬間化合物，這不可避免地會(huì)犧牲材料延展性,。
為了使合金達(dá)到更優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配,，課題組提出了一種策略，通過(guò)在Co30Cr20Ni40V5Ta5新型中熵合金中構(gòu)建多重異質(zhì)結(jié)構(gòu),，在有效提高合金強(qiáng)度的同時(shí)保持優(yōu)異的塑性,。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包含了高體積分?jǐn)?shù)的D022-γ”納米沉淀物、可剪切和不可剪切的金屬間化合物,，以及具有異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)的低層錯(cuò)能（SFE）基體,。變形過(guò)程中，多種組織帶來(lái)的協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制,，有效的提高了合金的應(yīng)變硬化能力,，實(shí)現(xiàn)了1323 MPa/1690 MPa的屈服/極限拉伸強(qiáng)度和29 %的拉伸伸長(zhǎng)率的優(yōu)異力學(xué)性能。這項(xiàng)研究為通過(guò)控制多尺度微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性來(lái)設(shè)計(jì)超強(qiáng)韌性金屬材料提供了范例,。如圖1所示,。為了進(jìn)一步分析納米析出相和異質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的協(xié)同強(qiáng)化效果，文中將包含不同組織的Co30Cr20Ni40V5Ta5合金進(jìn)行對(duì)比分析,，包括單相合金（SP）,、納米沉淀相強(qiáng)化合金（NP）、金屬間化合物+異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)合金（IHG）和納米沉淀物+金屬間化合物+異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)合金（NPIHG）,，合金的力學(xué)性能和相應(yīng)組織如圖1所示,。
圖1 合金的力學(xué)性能以及相應(yīng)的微觀組織結(jié)構(gòu)
為了進(jìn)一步對(duì)比合金不同組織的協(xié)同強(qiáng)化作用，分別對(duì)不同組織的Co30Cr20Ni40V5Ta5合金做循環(huán)加載試驗(yàn)計(jì)算變形過(guò)程中合金的非均勻變形誘導(dǎo)應(yīng)力,，結(jié)果如圖2所示,，包含有多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)的NPIHG合金的非均勻變形誘導(dǎo)應(yīng)力明顯高于SP、NP和IHG合金,。
圖2 合金的非均勻變形誘導(dǎo)應(yīng)力（hetero-deformation induced (HDI) stress） （a） SP,、NP、IHG和NPIHG的加載-卸載-再加載（LUR）循環(huán)拉伸真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線;（b）圖（a）中陰影區(qū)域中典型磁滯回線的放大圖;（c）SP,、NP,、IHG和NPIHG合金的HDI應(yīng)力（σHDI）。（d）合金中HDI應(yīng)力與流變應(yīng)力之比（σHDI/σflow）的比較,。
圖3對(duì)比了所研究合金與已報(bào)道的具有不同組織結(jié)構(gòu)的中/高熵合金的力學(xué)性能。盡管NPIHG合金的強(qiáng)度低于一些已報(bào)道的合金（UTS>2GPa），但由于多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)有效增強(qiáng)了NPIHG合金的加工硬化能力,，NPIHG合金表現(xiàn)出目前已報(bào)到最優(yōu)的強(qiáng)塑性匹配,。合金優(yōu)異的塑性來(lái)源于變形過(guò)程中不同組織間的協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制，即來(lái)自FCC基體的固溶強(qiáng)化,，D022-γ''納米沉淀相的共格強(qiáng)化和有序強(qiáng)化,，D024-η粒子的Orowan強(qiáng)化（位錯(cuò)繞過(guò)），D019-ε相的位錯(cuò)切過(guò)強(qiáng)化,，以及異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)的HDI強(qiáng)化,。
圖3 合金與其他具有典型微觀組織結(jié)構(gòu)的中/高熵合金的室溫力學(xué)性能的比較。（a） 總伸長(zhǎng)率與屈服強(qiáng)度（YS）的關(guān)系和（b）總伸長(zhǎng)率與極限抗拉強(qiáng)度（UTS）的關(guān)系,。
綜上所示,，馬兆龍、程興旺課題組設(shè)計(jì)了含有多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Co30Cr20Ni40V5Ta5新型高性能中熵合金,，實(shí)現(xiàn)了1323MPa/1690MPa的屈服/極限拉伸強(qiáng)度和29%的拉伸延展性的優(yōu)異強(qiáng)度-延展性組合,。文章提出的設(shè)計(jì)具有多尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)和變形亞結(jié)構(gòu)激活能力的微觀結(jié)構(gòu)的方法可以廣泛應(yīng)用于許多其他金屬材料，包括先進(jìn)鋼材,、高溫合金和中/高熵合金.
全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119492
該研究課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51804032,、52275309、52331006）,、北京理工大學(xué)創(chuàng)新人才科技資助專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃（2019CX01018）的支持,。
附作者介紹：
程興旺，國(guó)家級(jí)學(xué)術(shù)領(lǐng)軍人才,，卓越青年基金首批獲得者?，F(xiàn)任北京理工大學(xué)材料學(xué)院黨委書(shū)記，沖擊環(huán)境材料技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,。擔(dān)任國(guó)家產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)專(zhuān)家委員會(huì)委員,，教育部高等學(xué)校材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員，快速支持機(jī)制責(zé)任專(zhuān)家,，科工局金屬材料專(zhuān)業(yè)組成員,、標(biāo)技委委員，科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“十四五”材料領(lǐng)域重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施方案編制專(zhuān)家組成員,，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)材料基因組分委會(huì)委員,，中國(guó)兵工學(xué)會(huì)材料科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)委會(huì)委員。長(zhǎng)期從事材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和微結(jié)構(gòu)演化機(jī)制等研究工作,。獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng),，省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng),，省部級(jí)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng),、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)1項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇,、授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利40余項(xiàng),，參編專(zhuān)著2部、主編教材1本,。
馬兆龍,，國(guó)家級(jí)青年人才計(jì)劃入選者，歐盟瑪麗居里學(xué)者,，曾獲MIT-Imperial Global Fellow,、Imperial-CSC獎(jiǎng)學(xué)金、ICEPT最佳論文獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì),?！疤魬?zhàn)杯”全國(guó)一等獎(jiǎng)指導(dǎo)教師。主要從事高熵合金,、焊料合金,、金屬材料凝固與異質(zhì)形核；新型金屬材料微觀結(jié)構(gòu)與性能表征,；EBSD技術(shù)拓展與應(yīng)用等方面的研究,。以第一作者在Nat. Commun.、Acta Mater.,、Scripta Mater等期刊發(fā)表論文三十余篇,。主持自然科學(xué)基金、共用技術(shù),、領(lǐng)域基金等國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目多項(xiàng),。Nat. Commun.、Acta Mater,、Scripta Mater,、J. Alloy Compd.等期刊審稿人。授權(quán)國(guó)際專(zhuān)利1項(xiàng),，中國(guó)專(zhuān)利8項(xiàng),。
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