上海大学顶刊(IF=26.416)：新发现！实现超强异构共晶高熵合金
编辑推荐：金属材料强度与塑性的矛盾一直是科学家希望解决的问题。本研究报道了一种顺序激活的多级应变硬化策略，这致使所研究的超细晶共晶高熵合金具有了持续且有效的应变硬化能力，因此呈现出高的强塑性结合（屈服强度高达 1.2±0.02 GPa，断裂强度达到 1.5±0.02 GPa，同时均匀延伸率 >20%）。这种顺序激活的多级应变硬化策略源于晶内成分修改、晶粒尺寸调控、结构异质的三级设计思路，突破了合金中高的层错能及超细晶粒伴随的低孪生倾向，成功诱导了多类型的形变纳米孪晶，同时复合两级尺度的异质变形硬化行为，创新性地开发出一种顺序激活的多阶段应变硬化效应。
强度和塑性是结构材料最重要的两个力学性能。通常，粗晶金属材料具有较好的塑性，但强度较低。当晶粒均匀地细化到超细晶后（<1μm），材料强度将提升数倍，但同时也带来了应变硬化能力的严重下降，因此伴随着塑性的严重损失。迄今为止，各国研究者一直在努力探索能够有效改善超细晶材料应变硬化能力的机制，如形变纳米孪晶，以此提高超细晶材料的拉伸塑性。但产生形变孪晶首先要求材料具有较低的堆垛层错能（SFE），此外，随着晶粒细化，形变孪晶所需要的激活应力也逐步增加，这将削弱这种应变硬化机制的作用效果。
共晶高熵合金是一种广受关注的新型合金体系，具有良好的铸造性能，凝固后的组织通常展现出排列规则的双相层状结构。基于这种层状共晶结构，微层片遗传制备多尺度异质共晶结构被证明能够有效改善共晶高熵合金的力学性能（Nature Communications，10.1038/s41467-019-08460-2）。
近日，上海大学材料学院钟云波教授领导的“高性能结构功能材料超常冶金与制备”研究团队，创新性地将多类型形变纳米孪晶与多尺度异质变形硬化效应多重耦合，设计开发出一种顺序激活的多阶段应变硬化机制，显著提升了高强超细晶共晶高熵合金应变硬化能力。相关研究成果以“Multistage Work Hardening Assisted By Multi-Type Twinning in Ultrafine-Grained Heterostructural Eutectic High-Entropy Alloys”为题发表在国际顶尖杂志《Materials Today》(IF=26.416)上。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.029
这项工作中，研究者报道了顺序激活多重应变硬化机制来制备高强高塑性的超细晶共晶高熵合金（均匀延伸率 >20%，屈服强度高达 1.2±0.02 GPa，断裂强度达到 1.5±0.02 GPa）。合金经过简单的熔炼、轧制后，在热处理的过程中，面心立方（FCC）相中发生了可控的相分解反应：在FCC层片内析出有序体心立方（B2）相。产生的B2析出相通过钉扎晶界，即保留了共晶层片结构，又防止了热处理过程中的晶粒长大。
同时由于新相B2的生成，原始FCC相晶内的铝元素被部分消耗，随之降低了FCC晶粒的层错能。在拉伸变形过程中，双相异质结构的异质变形诱导了晶间硬化，带来了FCC晶粒中的高背应力和B2晶粒中的正应力，激活了改性后的较大FCC晶粒中Twin1型形变纳米孪生和B2晶粒中的致密位错运动。随后在较小的FCC晶粒中又出现了另两种形变纳米孪晶。通过多类型纳米孪晶变形和多级双相异质变形的多尺度耦合，顺序增强了超细晶晶间与晶内的应变硬化能力，从而保证了超细晶共晶高熵合金具有>20%的均匀延伸率和高达~1.2GPa屈服强度。
图1：图解摘要→三种纳米变形孪晶顺序激活协助的多重应变硬化。
图2：a, 优异的强塑性结合；b,多阶段应变硬化曲线。
图3：a, 铸态共晶高熵合金；b, 机械热处理制备的多级异质双相共晶高熵合金
图4：Twin1类形变纳米孪晶产生过程的TEM分析
图5：Twin2类形变纳米孪晶产生过程的TEM分析
图6：Twin3类形变纳米孪晶产生过程的TEM分析
图7，断裂损伤演化机制代表性的SEM分析
综上所述，顺序激活的多阶段应变硬化设计能有效地使高强度超细晶共晶高熵合金获得了超优的均匀延伸率。这种应变硬化行为是通过三级设计的互相协同完成的，在变形早期阶段，通过遗传共晶层片构建的双相异质结构产生异质变形诱导晶间硬化。从而造成了FCC晶粒中的高背应力和B2晶粒中的正应力。不仅达到较大FCC晶粒中Twin1型孪生的激活应力，也使B2晶粒产生大量位错运动。随后在较小的FCC晶粒中又出现了另两种形变孪晶，产生了进一步的晶内硬化。
这种多类型形变孪晶强化后的FCC晶粒能够有效阻止裂纹扩展造成过早断裂，延长了剩余的晶粒间或晶粒内的应变硬化能力到最后的拉伸变形。本工作开创性地提出了一种顺序激活的多阶段应变硬化机制，揭示出多级异质层片结构的强塑协同提升效应，为共晶合金的强塑化提供了一条独特的途径，也为高熵合金、轴承钢、工模具钢、高强高导高弹铜合金、高温合金、钛合金等先进材料的强塑性提升提供了全新的视角。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。