重磅！浙大&北科大等《MT》IF=26.416：局部化学波动诱导高熵合金延展性大幅提高！

2021-04-15 10:59:27 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：高熵合金（HEAs）为发现未被探索的力学性能和变形机制开辟了新的视野。局部化学波动（LCFs）在HEAs中被发现对其机械性能有显著的影响，但其根本原因尚不清楚。本文利用原位透射电子显微镜直接动态观察了在加载下，在延性体心立方（BCC） HfNbTiZr HEA中LCFs和位错之间的相互作用。由于位错相互作用的强烈促进，LCFs诱导的位错钉扎不仅有助于强度的增加，而且有助于延展性的增加。该研究结果不仅有助于对高温合金的变形机理的理解，而且为延性高温合金的设计提供了新的视角。

高熵合金（HEAs）是一类多主元等摩尔或近等摩尔比的固溶体，因其独特的结构特征和力学性能而受到人们的广泛关注。特别是，由于它们的熵贡献，HEAs可以在高温下保持稳定。例如，动态重结晶诱导的BCC Al1.2CrFeCoNi HEA具有较强的耐高温软化性能，这表明HEAs，特别是BCC HEAs，可以用于高温应用。然而，由于非密排的 BCC 结构和严重扭曲的晶格，BCC HEA 中的脱位运动需要克服高晶格阻力和双扭结的高激活屏障，导致较低的室温延展性，从而阻碍了BCC HEA的广泛使用。

此外，局部化学波动（LCFs）被认为是HEAs的一个共同特征，并被认为影响位错增殖和运动。这类LCFs引起了局部广义层错能和晶格电阻的变化，而这些变化与塑性变形行为有关。最近有报道称，通过调节LCFs，HEAs的强度和延性同时得到了提高。在这些HEAs中避免强度-塑性折衷的根本原因归因于主动位错操作行为和增强的LCFs诱导的广泛应变硬化。然而，没有直接的证据，特别是LCFs与形变载体（如位错）之间相互作用机制的动态观测。也就是说，深入了解LCFs对位错形核和操作的影响，对于启发延性BCC HEA合金设计新思路具有重要意义。

在此，浙江大学王宏涛教授团队和北科大吕昭平教授团队等人以等摩尔BCC型HfNbTiZr合金为研究对象，研究了位错形核和双交叉滑移机制。在透射电镜内进行了一系列原位应变测试，以可视化位错和LCFs之间的相互作用。通过TEM原位拉伸实验，研究了LCFs引起的频繁位错钉扎、局部双交叉滑移和位错倍增现象。结果表明，由LCFs引起的位错钉扎频繁发生，并由此产生的局部双交叉滑移使位错分布在不同的原子平面上，从而使HfNbTiZr BCC HEA具有较高的延展性。相关研究成果以题“Local chemical fluctuation mediated ductility in body-centered-cubic high-entropy alloys”发表在 Materialia today上。

链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121000845

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块状HINbTiZr HEA试样延展性可达13.1%，断裂强度为865 MPa，BCC HEA的良好延展性是屈服后的强应变硬化造成的，BCC HNbTiZr不包含二次相，其变形不涉及任何相变。众所周知，LCFs对HEAs的强度和延性有显著的影响。在这里，我们使用HAADF-STEM和APT来可视化HINbTiZr HEA中的LCFs。图la显示了铸态HINbTiZr HEA的HAADF-STEM图像，并注意到其对比度是不均匀的。图1bl -b2分别为图1a中蓝色和红色正方形区域对应的强度线剖面图。一些原子柱的强度急剧上升。

图1 HfNbTiZr HEA中的局部化学波动。（a）铸态HfNbTiZr HEA的高分辨率高角度环形暗场（HAADF）扫描透射电子显微镜（STEM）图像。（b1-2） a中蓝色和红色正方形区域的强度线轮廓，由数字显微软件的标准工具获得。原子探针层析成像三维重建的铸态HfNbTiZr HEA样品，其等成分表面的阈值为30 at% Hf （c）和26 at% Ti （d），突出了HfNbTiZr HEA中富Hf和富Ti团簇。富hf （e1）和富ti （e2）团簇的组成表面元素浓度分布。

图S2。大块HENbTiZr高熵合金的典型拉伸真应力-应变曲线？（HEA）。

图2 位错钉扎。（a）位错的初始构型1。（b）第115秒时因梗阻脱位。（c） 540秒时钉住位错的临界断裂形态。（d）位错1在第550秒脱出，留下一个小的位错环。

图3 钉扎诱导滑移。（a和b）位错2被障碍物固定，留下一个标记为L1和L2的小位错环。（c） L1和L2展开。（d） L3与位错2在同一滑移面上形成并扩张。

图4 LCF诱导钉扎。（a）一个固定位错的低放大亮度场（BF）扫描透射电子显微镜（STEM）图像。（b）（a）中正方形区域对应的高分辨率HAADF-STEM图像。（c）（b）中蓝色正方形区域的强度线剖面图，插图为相应放大的HAADF-STEM图像。（d）（b）的几何相分析（GPA）显示了钉扎点周围的应变波动

图5 局部双交叉滑移引起的平面滑移的空间分布和伴随的钉扎引起的位错滑移。（a）位错运动所留下的波状滑移轨迹（黄色虚线所勾勒）。（b）位错3和位错4的滑移轨迹重合。（c）位错4的滑移轨迹偏离位错3的滑移轨迹。（d）偏离滑移轨迹的放大图像，显示两个原子平面的平面滑移由交叉滑移面连接。（e1-5）在HfNbTiZr BCC HEA中，由交叉滑移辅助的钉扎作用增强了位错的增殖，使平面滑移和位错增殖事件在空间上分布。

综上所述，本文采用原位TEM应变来研究延展BCC HfNbTiZr HEA的变形行为。研究结果明确表明，LCF 在此 BCC HEA 中诱导错位固定、滑移和交叉滑动。LCF 引起的固定不仅增加了脱位运动屏障，还刺激了错位增殖。局部双交叉滑移使错位滑移发生于各种平面上，有效缓解了局部应变。 APT和 STEM 证明的 LCF是这种主动脱位行为和这种特定 BCC HEA 的体面延展性的起源。暴露的变形机制可能为延展性BCC耐火材料 HE 的设计和优化开辟一条新途径

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