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厉害了!零下258℃温度下,强度2.5GPa 塑性62%的金属材料!

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材料通常容易出现低温脆性。高熵合金等复杂材料低温下由于滑移和孪生机制的共同作用而表现出特殊的力学性能。多种变形机制共存的情况下,探明各种变形机制是如何相互竞争或协同作用具有重要意义。本文研究的CrMnFeCoNi合金在15K低温时,强度~2.5GPa,塑性~62%。研究发现堆垛层错起着桥接位错滑移和锯齿的关键作用,在低温下各种竞争机制可以协同作用,以生产高强度和高延展性的材料。

材料在极端条件下的力学行为一直是人们研究的热点。在高温下,塑性变形是由原子扩散决定的,原子扩散会导致强度、伸长率、相变和沉淀的退化;在低温下,由于原子的迁移率减弱,限制了通过诸如位错滑移的塑性变形,可能会发生塑性到脆性的转变,即低温脆性。然而,在复杂材料中其他变形机制在低温下变得有竞争力,成为了变形的替代机制。高熵合金(HEA)就是一个代表性的例子。高熵合金在低温下,由于滑移和孪生机制的共同作用而表现出特殊的力学性能。塑性变形过程中,探明各种变形机制是如何相互竞争或协同作用具有重要意义。

近日,香港城市大学王循礼教授团队利用原位中子衍射,发现在超低温时高熵合金中多种变形机制相互作用,首先是位错滑移,然后是堆垛层错和孪晶,最后通过锯齿状变形转变为非均匀变形。相关论文以题为“Cooperative deformation in high-entropy alloys at ultralow temperatures”近期发表在Science Advances。

论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/13/eaax4002

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高熵合金是由多种主要元素组成的一类有趣的结构材料,具有优异的强度、延性组合、断裂韧性、耐腐蚀性和氢脆性。它们还具有良好的抗辐射损伤稳定性,因此被认为是先进反应堆应用的潜在材料。尽管化学过程很复杂,但高熵合金可通过一个非常简单的晶格形成单相固溶体。例如,CrMnFeCoNi,也被称为Cantor合金,具有面心立方(fcc)结构。

在室温下,五元CrMnFeCoNi和四元CrFeCoNi合金的变形主要是位错滑移。在1000 K时,主要的变形机制是扩散控制的位错蠕变。在液氮温度下,CrMnFeCoNi的强度和延性均有所提高。除了位错滑移外,孪生的激活也被认为是异常延性的主要原因。除此之外其他机制也可能起作用,特别是当温度进一步降低时。在非常低的温度下,如液氦温度,观察到锯齿状变形,这通常会使延性变差。同时,不同的变形机制敏感地依赖于成分和微观结构。

在多种变形机制共存的情况下,一个关键问题是每种变形机制什么阶段出现,以及它们对硬化行为的影响。为此,原位观测对于确定不同变形机制的激活以及理解它们在后续变形过程中的相互作用至关重要。特别是对于相变变形,只有在试验温度下进行原位研究,才能观察相变对变形的影响。

在此,研究者对三种有代表性的fcc高熵合金进行了原位中子衍射测量,分别是CrMnFeCoNi, CrFeCoNi和CrCoNi。它们均表现出一个多阶段的变形过程。对实验数据的定量分析表明,堆垛层错起着桥接位错滑移和锯齿的关键作用。如果没有堆垛层错,合金就会从位错直接滑向锯齿状,并且会像其他低温合金一样,在早期失效,延性降低。而本文研究的CrMnFeCoNi合金在15K低温时,强度约2.5GPa,塑性约62%!

堆垛层错的变形是由两个因素造成的。第一,合金在15 K时仍处于fcc相,这与所有样品的中子衍射数据一致。堆垛层错能的变化很大程度上依赖于短期的化学有序,甚至可以变得依赖于局部构型。fcc相可能在低温下被动力学稳定下来。第二,堆垛层错能足够低,所以堆垛层错可以在锯齿之前立即开始一个步骤。第一性原理计算的研究表明,堆垛层错能的温度依赖性与熵密切相关,包括构型熵、振动熵和磁熵。

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图1 CrMnFeCoNi合金在低温下的晶体结构和变形行为

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图2 变形过程中晶格应变和织构的演化

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图3 CrMnFeCoNi HEA在15 K时的变形途径

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图4 断裂样品的电镜观察结果

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图5 fcc高熵合金的变形图

由此可见,本文通过研究高熵合金在超低温下的变形行为,阐明了不同变形机制之间的相互作用和竞争关系。研究表明,复杂化学成分和简单晶体结构的独特组合可能是低温应用新材料设计的关键,在低温应用中,各种竞争机制可以协同作用,以生产高强度和高延展性的材料。(文:水生)

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