北理工團隊在化學局域有序強韌化高熵合金方面取得重要進展
發布日期：2023-04-11 供稿：材料學院 王亮、薛云飛 攝影：材料學院
編輯：牟雪嬌 審核：金海波 閱讀次數：
日前，北京理工大學材料學院薛云飛教授聯合西安交通大學材料創新設計中心馬恩教授等在《Nature Materials》發表題為“Tailoring planar slip to achieve pure-metal like ductility in body-centred-cubic multi-principal element alloys”的研究論文。北京理工大學為第一完成單位，北京理工大學王亮博士后和西安交通大學丁俊教授為共同第一作者，薛云飛教授和馬恩教授為論文共同通訊作者。
高強合金的拉伸塑性通常遠低于單質金屬。特別是體心立方(BCC)結構的高熵合金（又稱為“多主元合金”），其均勻變形能力普遍嚴重不足。針對這一難題，研究團隊提出利用化學局域有序（LCO，大小在1nm尺度）與晶格畸變場的動態演化和交互作用調控平面滑移帶的學術思想，將平面滑移（planar slip）誘導變形局域化這一削弱拉伸塑性的機制轉變為“多級”平面滑移促進變形均勻化的塑性提升機制。
團隊以Ti-Zr-V-Nb-Al體系BCC高熵合金為研究模型，輔以適當的熱處理工藝，成功引入大量富Zr-Al鍵的B2型LCO（圖1）。變形時， “滑移面軟化”（glide plane softening）產生平面滑移帶。變形較大后，平面滑移帶內的LCO被破壞，原子尺寸分別明顯大于和小于合金平均值的Zr與Al被顯著分開，各自帶來較大的晶格畸變，其產生的阻力與積累的位錯碎片聯合作用，有效阻礙后續位錯運動（圖2），最終造成滑移帶的動態硬化。
圖1. 低溫時效(aged)引入大量B2型LCO
圖2. （a-b）平面滑移帶內外的LCO原子像以及晶格應變分布；（c）晶格應變統計圖；（d）平面滑移帶內的位錯碎片、位錯環大量累積；（e）滑移帶內位錯滑移速度變化趨勢
這種滑移帶“先軟化、后硬化”的作用機制使得先形成的“初級”平面滑移帶附近萌生大量“次級”滑移帶，并逐漸擴展到“初級”滑移帶間的未變形區域內，這不僅大幅提升合金應變分布的均勻性，同時“次級”滑移帶間的相遇、交叉以及“初級”滑移帶對“次級”滑移帶的阻礙等提升了合金均勻變形所必需的加工硬化能力（圖3a-b）。
基于以上新思路，團隊在具有千兆帕（GPa）級屈服強度的BCC高熵合金中實現了可與單質金屬相媲美的高拉伸塑性（圖3c-d）：均勻延伸率提升至~25%、斷裂延伸率高達~47%。這為開發高性能合金提供了新的設計途徑，同時為進一步認識高熵合金的化學局域有序結構及其對性能的影響提供了指導。
圖3. （a-b）不同變形量下aged-T50的微觀組織STEM圖像；（a）展現出大量“次級”平面滑移帶（綠色）在“初級”滑移帶（紅色）附近萌生擴展；（b） “次級”滑移帶相遇引入大量位錯纏結（紅箭頭）和位錯堆積（藍箭頭）；（c）兩種合金的真應力-真應變曲線和加工硬化率曲線；（d）兩種合金和其他常見BCC高熵合金、BCC傳統合金的力學性能對比圖
北京理工大學王魯教授、梁軍教授、靳柯教授，香港城市大學任洋教授，河北工業大學鄭士建教授、明開勝副教授，南京理工大學沙剛教授，南方科技大學逯文君研究員，美國阿貢國家實驗室Tianyi Li博士等師生為論文共同作者。本工作得到國家自然科學基金（“葉企孫”科學基金、重點基金、青年科學基金）、中國博士后科學基金等項目支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01517-0
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