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英雄所见不同!刚发表的《Nature》子刊,隔天就被正刊“打脸”?

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导读:高熵/中熵合金是一类具有强韧性组合的新型结构金属合金。5月19日Nature Communications上的一篇文章发现NiCoCr合金中,短程有序结构(SRO)可以忽略不计,或者对屈服强度和错配量没有任何重要影响;并指出SRO很难测量和控制且没有理论来预测SRO引起的强化。

而5月20日Nature正刊上的一篇文章,通过实验在NiCoCr合金中直接观察到了短程有序结构,这种独特的结构可以起到很好的强化效果,提高合金的层错能和硬度;可以通过调整热力工艺参数来改变纳米级的局部有序度,从而为调节中熵合金和高熵合金的机械性能提供新途径。

高熵/中熵合金(HEA/MEA)是一类新型的结构金属合金,具有诸如高强度、高断裂韧性等性能组合。MEA面心立方(fcc)NiCoCr在等成分fcc合金的Cr-Mn-Fe-Co-Ni系列中屈服强度最高,并且在低温下具有良好的断裂韧性。NiCoCr的稳定堆垛层错能(SFE)为22±4 mJ/m2,第一原理密度泛函理论(DFT)研究显示,低温下SFE为负,仅在300 K附近才可能为正。基于DFT,已提出NiCoCr中的化学短程有序(SRO)作为SFE为正的原因,但是对于SRO是否可以忽略不计或者是否对性能有不同影响仍有争议。

瑞士联邦理工学院(洛桑)的研究人员以NiCoCr合金为对象,研究了SRO对性能的影响。发现NiCoCr合金中,SRO可以忽略不计,或存在但对屈服强度和错配量没有任何重要影响。相关论文以题为“Yield strength and misfit volumes of NiCoCr and implications for short-range-order”于5月19日发表在Nature Communications。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16083-1

英雄所见不同!刚发表的《Nature》子刊,隔天就被正刊“打脸”?

本研究中Ni-Co-Cr合金通过真空电弧熔炼制备。合金锭先冷轧50%,在1100℃均匀化50h,此时材料几乎是随机的织构,晶粒尺寸约100μm;二次冷轧80%,在900℃退火15min,此时获得完全再结晶,几乎随机的织构微结构,平均晶粒尺寸为几微米。

研究使用不同的退火温度,预计会出现不同水平的SRO,进而影响屈服强度和硬度。如果能够引起SRO并影响性能,则实验数据不应遵循单一的Hall-Petch(HP)关系,但是实际数据确实仅遵循一种HP关系。NiCoCr屈服强度没有显示出SRO的任何重大影响结果。经冷轧后的合金分别在600和700℃下退火384h后,晶粒尺寸无变化,硬度也基本相同,说明这种条件下,任何SRO对机械性能均无可测量的影响。

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图1 关于NiCoCr中的屈服强度与晶粒大小的平方反比的文献数据汇总(Hall-Petch缩放比例)

通过测量合金中Ni、Co和Cr的错配量对比发现,NiCoCr中每种元素周围的局部环境与无规二元合金没有明显区别,因此没有发现SRO存在的证据。该结论不排除在某些加工条件下(例如,在500℃下退火)可能形成SRO。最近的一项研究确实报告了SRO的证据和NiCoCr强度的增强约50 MPa。该研究的工艺包括在1000℃退火120h后的炉温冷却,在T<600℃的慢炉冷却过程中,这些材料中可能会产生SRO,这与文献中在此温度范围内的SRO发展完全一致,而本研究在600℃和700℃进行更长时间的退火后,硬度也没有变化。

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图2 在合金周围的四个组成处测得的Ni-Co-Cr样品的组成和原子体积

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图3Ni-Co和Ni-Cr二元合金的合金原子体积分别与Co和Cr组成(黑色符号)以及表观体积用于Ni,Co和Cr组成(彩色线)的关系

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图4室温实验和DFT测得的各种fcc合金中Ni(绿色),Co(红色)和Cr(蓝色)的表观体积

综上所述,尽管在NiCoCr中获得SRO可能仍然具有研究兴趣,但是通过探索更广泛类别的合金元素中的新成分,可以更好地实现在各种HEA/MEA中追求高性能合金的目的。例如,最近据报道NiCoV合金的强度约为400 MPa,几乎是NiCoCr强度的两倍。NiCoV的强度可以通过无规合金溶质强化理论进行预测,而SRO很难测量和控制且没有理论来预测SRO引起的强化。

而在这篇文章发表第二天,美国加州大学的研究人员相关论文以题为“Short-range order and its impact on the CrCoNi medium-entropy alloy”发表在Nature正刊(点击查看)。研究人员使用能量过滤的透射电子显微镜,观察了CrCoNi中熵合金中短程有序结构特征,提供了化学短程有序(SRO)结果的定量可视化,研究了该SRO对MEA/HEA材料力学行为的直接影响,发现这种数量级的增加会引起更高的堆垛层错能(SFE)和硬度。研究人员直接成像了局域有序化,并展示了MEAs的变形行为如何与SRO程度直接相关。由于SRO对材料力学性能的影响,SRO是材料设计阶段必须考虑的一个重要特征,可以通过热机械加工来调整纳米级的局部有序度,从而为调节中熵合金和高熵合金的机械性能提供了新途径。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2275-z

英雄所见不同!刚发表的《Nature》子刊,隔天就被正刊“打脸”?

虽然两篇文章的观点相差很大,

但或许这就是科研的魅力所在。

在探索中、争鸣中不断发展前进!

文:破风

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