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。變形過程中,,多種組織帶來的協(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)研究為通過控制多尺度微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性來設(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)異的塑性來源于變形過程中不同組織間的協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制,即來自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),D019-ε相的位錯(cuò)切過強(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)專家委員會(huì)委員,,教育部高等學(xué)校材料類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員,,快速支持機(jī)制責(zé)任專家,科工局金屬材料專業(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)專項(xiàng)實(shí)施方案編制專家組成員,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)明專利40余項(xiàng),,參編專著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)際專利1項(xiàng),,中國(guó)專利8項(xiàng),。
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