Materials Today发表上海大学重大发现！打造同时具备超优强度和塑性合金新方法

导读

对于金属材料而言，将晶粒细化到超细晶/纳米晶可使材料强度提高数倍，但同时也造成了材料应变硬化能力的衰减甚至是丧失，难以避免地出现低塑性。本文发现了一种顺序激活的多级应变硬化(SMSH)行为，它能够使得高强度的超细晶共晶高熵合金(EHEA)保持有效的应变硬化能力。依靠结构异质、晶粒尺寸控制、晶内成分精调的三级设计思路，突破了共晶高熵合金的中高堆垛层错能及超细晶尺度伴随的低孪生倾向，成功引入了顺序激活的多类型形变纳米孪晶，同时复合两级尺度的异质变形硬化效应，创新性地开发出一种顺序激活的多阶段应变硬化机制，往高强度的超细晶共晶高熵合金中注入了持续且有效的应变硬化能力，实现了共晶高熵合金的超优强塑性结合。

在科学研究、关键应用及节能减排等方面，设计制备兼具高强度和高延展性的材料一直是各国研究者持续关注的焦点。通常，将金属材料的晶粒细化到超细晶/纳米晶后，能够获得数倍于粗晶材料的强度，但由于超细的晶粒内无法有效储存位错，这将造成应变硬化能力的严重损失，合金表现出极低的拉伸塑性。迄今为止，人们一直在努力探索各种改善细晶材料应变硬化的机制，如形变纳米孪晶，以此尝试提高超细晶材料的拉伸塑性。但形变孪晶的产生首先要求材料具有较低的堆垛层错能（SFE），此外，在超细晶材料中，形变孪晶所需要的高激活应力会极大地削弱这种应变硬化机制。即使是某些低SFE的金属材料，当晶粒尺寸<500nm，虽然获得了1GPa以上的高屈服强度，但仍无法阻止塑性的严重牺牲。

共晶高熵合金是一种广受关注的新型合金体系，具有良好的铸造流动性，凝固组织呈现出特有的规则排列的双相层状结构。已有的研究结果证明，共晶高熵合金特有的双相层状结构能够触发显著的异质变形诱导的强硬化去改善力学性能（《Nature Communications》https://doi.org/10.1038/s41467-019-08460-2）。近日，上海大学材料学院钟云波团队，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，开发出一种顺序激活的多阶段应变硬化机制，相关研究结果以题为“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。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.029

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702120303321

图文解读

图1 力学性能 (a)铸态EHEA和多级硬化SMSH EHEA的拉伸曲线，插图中对比了包括超细晶EHEAs，高强度EHEAs在内的合金的屈服强度与均匀延伸率；(b)SMSH EHEA对应的加工硬化曲线，表现出在超细晶材料中极为罕见的六阶段的应变硬化，插图中表明平均晶粒尺寸最小的SMSH EHEA最终断裂强度与屈服强度之差却最大，这说明了其优异的应变硬化能力。

图2 微观结构 (a)铸态EHEA的EBSD相图与反极图；(b)多级应变硬化SMSH EHEA的SEM图，（RD，轧制方向、TD，横向)；(c) SMSH EHEA的TEM图，以及B2层片，FCC层片的SADPs点阵，超晶格衍射点用白圈表示 (d) c中方框标记区域的EDS分析，显示了铝、铁、钴和镍元素的分布；(e)铸态EHEA的HAADF-STEM图像，以及相应的EDS分析 (f) SMSH EHEA不同变形阶段的示意图，（GB，晶界、Twin1-3，三类不同的孪晶）；(g)SMSH EHEA的HAADF-STEM图像，以及相应的EDS成分分析，所有晶间B2相晶粒标记为P1。

图3 变形结构的TEM图片 (a)上图，FCC层片比B2层片中存在更密集的位错；下图，FCC的晶粒尺寸分布；(b)上图，在B2层片附近的FCC中形成的孪晶，以及在B2晶内出现的高密度位错；下图，SADP证明B2的结构，暗场相证实其中的密集位错；(c)上图，大量的变形孪晶；下图，在上图中标记的晶粒中，暗场像发现有两种孪生方向、通过右侧SADP也可进一步证明、孪晶的厚度分布；(d)上图，孪晶扭曲生长的形态，插图为孪晶尖端的暗场像；下图，在孪晶前端形成的多重层错，黄色箭头标记为微孪晶，蓝色箭头表示孪生方向；(e)从晶界处向晶内生长的变形孪晶，且能观察到孪晶尖端；(f) e中孪晶（蓝色框）和孪晶尖端（黄色框）的高分辨照片；(g)对于f黄色框区域的孪晶尖端FFT图表示，随着接近晶界，原子排列从单原子层的层错到的三原子层的孪晶变化；(a-g)中所有的晶界和相界，分别用蓝色五角星和黄色虚线标记。

图4，通过9R相协调的变形孪晶TEM图 (a)晶粒形貌；(b)a中晶粒的暗场像，插入图中的SADP证明存在孪晶；(c)b中黄色框出区域的放大，展现出一次孪晶和二次孪晶，以及孪晶头部的若干位错和层错（黄色三角形标记）；(d)对于c中孪晶头的进一步放大，发现了的两个相界（PB1和PB2）框出的9R相，同时也通过右侧的FFT图证明，CTB表示共格的孪晶界；(e) d中PB1和PB2相界的高分辨图；(f)连续的9R相和扭曲的9R相。

图5 断裂损伤演化机制代表性的SEM图像 (a)断裂端微裂纹分布广泛，没有发现多数情况下出现的较大的二次裂纹；(b)由于应力集中，微裂纹主要在B2层片中相界面附近形成。部分微裂纹终止于B2层片（左、右图中用黄箭头标记），部分贯穿整个B2层片（左图中用蓝箭头标记），还有一些裂纹尺寸较大（左图中用红色箭头标记)；(c)放大图像表示裂纹扩展受到相邻的、较韧的FCC层片限制，通过，①微裂纹尖端在相界面附近钝化（蓝色箭头标记），②微裂纹贯穿B2薄片（黑色虚线框标记）但不能穿透FCC层片，并在韧性的FCC层片辅助下，裂纹缓慢沿着B2层片的方向生长。

图6 晶粒尺寸依赖的多类型形变孪晶辅助的顺序激活的多级应变硬化示意图。Twin1型孪晶主要在大晶粒(d> 0.55μm)中发生，而Twin2和Twin3型孪晶择优出现在剩余的小晶粒中，特别是在0.3 <d < 0.5μm的晶粒中。

小结

综上所述，顺序激活的多阶段应变硬化SMSH设计能有效地使高强度超细晶EHEA获得了超优的均匀延伸率。这种SMSH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(HDI)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。

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