PRL刊登浙江大学交叉力学中心在高强高韧HCP高熵合金研究成果

【成果简介】

近日，浙江大学交叉力学中心联合德国马普钢铁研究所提出了运用高熵合金(HEA)概念设计新型高性能密排六方(HCP)合金的理念。相关成果以“Nonbasal slip systems enable a strong and ductile hexagonal-close-packed high-entropy phase”为题发表在《Physical Review Letters》杂志上。交叉力学中心博士生卜叶强和马普钢铁研究所李志明博士为共同第一作者，交叉力学中心王宏涛教授、刘嘉斌副教授和马普钢铁研究所Dierk Raabe 教授为共同通讯作者，共同作者还有交叉力学中心的杨卫院士。

Mg、Ti等HCP金属具有独特的物理化学力学性能，在科学技术领域和国民社会经济上具有重要地位。尤其是Mg以其地球储量丰富、轻质高强性质被誉为21世纪最有前途的工程材料。然而与面心立方和体心立方结构的金属相比，传统HCP金属滑移系较少，其塑性较差，极大地限制了生产加工制造。HCP金属所能开启的滑移系与其晶体结构的轴比密切相关，对于轴比较大的金属如Mg、Zn等，其内部位错主要在基面上滑移；而对于轴比较小的金属如Ti、Zr等，其内部位错主要在柱面上滑移。这种位错单一地在基面或者柱面上的滑移难以实现材料的均匀塑性变形。调控HCP金属的轴比以激活锥面位错滑移是获得高性能HCP金属的关键。已有研究表明，添加适当的合金元素是调控HCP轴比的有效方法。传统合金设计中溶质浓度有限，因此轴比的调控范围较小。高熵合金设计思路打破了传统合金单一主元束缚，含有多种主要元素，其合金元素浓度远高于传统合金，显著拓展了HCP轴比的调控范围。研究团队发现Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金中HCP 相表现出很好的塑性变形能力，X射线衍射结果表明该HCP相的轴比显著低于理论值。通过透射电子显微镜原位拉伸实验，发现该HCP相在变形过程中锥面滑移系的位错运动活跃。基于大量的透射电子显微镜表征，统计出该HCP相中包含高达31%的非基面位错。

基于该合金设计方法，有望运用高熵合金思路对传统HCP金属进行轴比的大幅调整，开发出高韧性高成型能力的新型HCP合金。

【图文导读】

图1.  原位透射电子显微镜表征表明HCP相中的非基面位错滑移被激活。

图2.  非原位透射电子显微镜表征表明HCP相中存在大量非基面位错。

图3.  通过与传统镁、钛合金的比较，表明高熵HCP相因其含高溶质浓度使得轴比得到大幅调整处在能够激发多滑移系的区域。

浙江大学交叉力学中心由杨卫院士牵头创建。中心以力学为牵引，实现各学科交叉融合，孕育新的学科增长点，研究方向包括力学与人工智能交叉、力学与材料基因交叉以及力学与电子信息交叉，形成基础研究，工程应用和前沿技术三大特色。

原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.075502

本文由浙江大学交叉力学中心供稿，材料人编辑部编辑

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