三校联合发表《Science》子刊：重大发现！高熵合金极限变形的非晶化！

2021-02-01 13:35:51 作者：本网整理来源：材料学网微信公众号分享至：

导读：未来日益严酷的使用条件将需要不断提高材料的变形能力，而不会造成材料持续损伤，同时又保持其高强度。本文通过对等原子CrMnFeCoNi高熵合金进行模压，随后进行准静态压缩或剪切动态变形，作者观察到由层错、孪晶、由面心立方向密排六方结构转变的致密结构，尤其是非晶化。层错和孪晶沿{111}平面的协调传播产生高变形区，这些高变形区可重组为六边形包；当这些区域的缺陷密度达到临界水平时，它们会产生非晶材料岛。这些区域具有出色的机械性能，可提供额外的强化和增韧机制，以提高这些合金承受极端载荷的能力。

金属具有永久变形的能力，这种特性被称为延展性，可以被塑成管子或其他复杂形状而不会断裂。这种特性对金属及其合金的使用具有深远的影响，因为它们可以形成多种形状，在操作过程中，通过对其尖端进行塑性变形，从而使其钝化，从而防止裂纹的形成和扩展。金属表现出这种特性的机制已经被研究了100年，并且存在一种发展良好的塑性理论，其基础是三种主要机制：位错、孪晶和相变。在非常罕见的情况下，第四种机制也能起作用，即通过非晶化破坏晶体结构的机制。

HEA由Cantor等人独立开发。2004年；这些合金中的某些合金，尤其是主要以面心立方（fcc）的CrCoNi基HEA被证明具有出色的强度和延展性，从而导致很高的断裂韧性，即具有抗断裂的能力……

基于CrCoNi的HEA表现出位错介导的可塑性，孪生诱导的可塑性以及在特定合金中的相变诱导的可塑性（TRIP）的多种变形途径。TRIP效应，它涉及到一个FCC到密排六方（hcp）相变，已在三元件CrCoNi合金报道，和非等原子HEA与由于它们的堆垛层错能量明显较低；然而，迄今为止，在经典等原子CrMnFeCoNi Cantor HEA中尚无明显证据表明这种由变形引起的（在环境压力下）相变。

基于此，美国加利福尼亚大学、卡内基梅隆大学和英国牛津大学研究学者发现在很高的应变速率载荷下，在Cantor合金中可以观察到TRIP效应。表明在高应变和/或高应变速率下，会出现一种额外的但罕见的变形机制，即固态非晶化，这似乎是极端载荷条件下结构转变的特征。相关研究成果以题“Amorphization in extreme deformation of the CrMnFeCoNi high-entropy alloy”发表在国际顶级材料期刊Science advances上。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabb3108

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作者首先对材料CrMnFeCoNi Cantor合金进行预处理，以将高位错密度引入退火后的晶粒中。图1A中的电子背散射衍射（EBSD）图显示了型锻后观察到的结构，该合金经受了0.8的标称应变。变形的晶粒清晰可见，并且晶粒内的带状特征为滑移带。透射电子显微镜（TEM）（图1B）证实产生了高密度的位错。这种高水平的塑性变形及其相关的高密度缺陷在准静态和动态条件下都引入了实质性的强化。

准静态应力应变曲线和动态应力应变曲线均表明该合金的强度在1 ~ 2 GPa之间。然而，这并不明显损害延性，因为在准静态变形下，合金继续表现出0.8的应变，最终的总应变为0.95。这种双重强度和延展性的响应保证了即使在极端的负载条件下也具有高韧性。

图1 变形后的CrMnFeCoNi HEA的初始微观结构，机械响应和示意性样品几何形状。

（A）初始微观结构的EBSD图（具有反极图），显示了晶粒大小为？100μm的变形晶粒。（B）变形样品的TEM显微照片，显示出高密度的位错结构。请注意，在EBSD和TEM表征中，只能观察到很少的变形孪晶。这可能归因于型锻过程的独特应变路径，该路径不利于激活孪生的应力积累。（C）机械响应，（D和E）分别为圆柱形和帽形样品的示意图。

图2 受到准静态压缩的锻造CrMnFeCoNi HEA的变形微观结构。

（一）TEM明场图像显示出大量的平面变形特征。（B）高变形区域的高分辨率TEM显微照片，具有变形孪生，hcp相和非晶区域三个独特区域。相应的晶格图像分别在（C到E）中给出。（D）中的hcp区域经过傅里叶变换-滤波以最大程度地提高相位对比度。

图3 受到动态压缩/剪切作用的CrMnFeCoNi HEA的变形微观结构。

（A）宏观绝热剪切带附近的孪晶，堆垛层错，hcp相和非晶带的明场图像，如图1E所示。（B）选定区域的电子衍射图显示了fcc基体，孪生点和hcp衍射的存在。（C）高分辨率TEM图像显示了纳米级孪晶和堆垛层错（SF）的共存。（D）hcp和fcc相之间的界面的傅立叶滤波晶格图像。（E）非晶带[（A）中的红色方块]和相应的快速傅里叶变换衍射仪的高分辨率TEM图像。

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图4 等变形CrCoNi基HEA经受变形程度增加的分层变形机制范例。

弹性变形，位错介导的可塑性，孪生诱导的可塑性，TRIP，最后是固态非晶化。触发下一个机制需要生成其他缺陷，即位错和/或点缺陷（空位）。这些多种机制可以相互作用，从而导致强化过程的协同作用以及由此产生的高度复杂的微观结构。

综上所述，作者提出非晶化实际上是在HEA中表现出来的另一种变形机制，除了位错介导的可塑性，机械孪晶和马氏体fcc→hcp相变之外，它还提供了各种途径来耗散传递的应变能。HEA中变形机制的多功能性和协同作用使它们成为极端承重应用（如冲击穿透，保护和极端低温环境）的可行候选者。与大多数商业结构材料相比，预变形的等原子CrMnFeCoNi HEA具有更高的吸收冲击应变能。通过调整成分（进一步降低堆垛层错能量）和热处理（引入更高密度的缺陷），我们相信将有可能最大限度地发挥这些有益作用，从而创造出专门用于极端负载环境用途的新型优质金属合金

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