重磅！上海大学发表《Science》：共晶鱼骨高熵合金及其多级裂纹缓冲效应

2021-08-20 10:43:42 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

今日，上海大学钟云波教授团队联合北京科技大学王沿东教授团队合作，在“共晶鱼骨高熵合金的开发设计及其辅助的多级裂纹缓冲效应”方面取得重大进展，以Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys为题，在国际顶级期刊《Science》上在线发表。其中上海大学为第一署名单位，上海大学钟云波教授、德国马克斯-普朗克研究所Dierk Rabbe教授和北京科技大学的王沿东教授为共同通讯作者。

https://doi.org/10.1126/science.abf6986

如果载荷不能被弹塑性变形充分耗散掉，材料中就会出现裂纹。一些多级结构的复合材料，如高韧性的骨头，具有优良的裂纹容忍能力，但它们通常不能承受大的延展变形，因为没有足够的常规晶格缺陷来承受拉伸变形。在人造延展性材料中，广泛的裂纹往往会引发过早的断裂失效。这些裂纹通常是由于局部组织严重塑性变形引起的，因而它们的扩展不能被及时有效地缓冲和阻止住。这种情况的存在是因为局部变形的微观组织通常没有足够可持续的应变硬化能力，而应变硬化能力可以消除裂纹扩展尖端的局部高应力。因此，即使一些延展性好的金属复合材料表现出裂纹容忍能力，通常也只有有限的额外拉伸塑性被获得。总的来说，在人造材料中，裂纹容忍能力辅助获得的总延伸率通常并不像我们预期的那样高。

此外，工程部件的断裂失效，如大桥钢结构的断裂、建筑物钢结构的坍塌、雪灾中电力支架的崩塌等，绝大部分均起源于所用结构材料中微裂纹的产生和不可控的扩展，因此在材料中宽容微观裂纹的产生和生长是违反传统安全理念的。因为材料中出现的微裂纹，在应力作用下会快速扩展成宏观裂纹，最终触发工程部件的过早失效，给人的生命和财产安全带来巨大危害。

研究表明，在共晶高熵合金（EHEAs）中，广泛的裂纹生成与高均匀延伸率之间的冲突是可以被解决的。EHEAs是近年来发展起来的新型多主元层状复合材料。本文展示了一种定向凝固的共晶高熵合金（EHEA），它成功地协调了裂纹容限和高伸长率之间的互不相容矛盾。研究团队采用独特的凝固组织控制手段，将此共晶高熵合金材料中均匀的共晶组织设计凝固成类似鱼骨的多级共晶层片结构。在拉伸加载时，硬相B2层片中不但形成常规位错，还将萌生高密度的微裂纹，缓解材料变形时的应力集中。但有趣的是：该微裂纹仅在B2相中大量萌生和沿拉伸加载方向拉长，一旦遇到软性相L12界面时便不再扩展，裂纹前端被钝化为近圆形；而在软性相L12层片中动态形成的高密度多组态位错和微带，诱导了不断增强的加工硬化，因而表现出超优的塑性变形能力。在这种相间协同变形作用下，B2相中大量萌生的微裂纹不仅不会恶化共晶高熵合金性能反而可以做为一种有效的应变补偿者去改善材料塑性。这一突破源于仿生激发的多级裂纹缓冲效应，其允许多重微裂纹的广泛成核，但在随后的巨大应变范围内显著抑制了它们的灾难性生长和破坏。结果，在不牺牲强度的情况下，这种共晶鱼骨材料获得了超高的断裂韧性，特别是其延伸率达到了前所未有的50%，是传统铸态共晶材料的3倍。

图1 常规铸造方法制备的共晶高熵合金，晶粒间展现出随机自由排列的双相层片结构。（A） SEM背散射电子图像。（B）电子背散射衍射（EBSD相图（左）和反极图（IPF）图（右）。（C）结构示意图。

图2 定向凝固的共晶高熵合金，展现出新型的仿生鱼骨状多级共晶结构。图（D）和（E）中的黑色箭头为DS（定向凝固）方向，也是图2A中拉伸加载方向。（D） SEM背散射电子图像显示和（E）放大EBSD相图和IPF图展示出定向生长的多级共晶鱼骨结构。（F和I）多级共晶鱼骨结构示意图及其在定向凝固时的形成原理。（G） B2、Ll2相的HAADF-STEM图像及相关SAED图。（H） SHE-XRD图谱。

图3室温下的拉伸力学性能。（A）与常规铸造的EHEA相比，定向凝固的多级鱼骨型EHEA的工程应力-应变曲线显示均匀延伸率的大幅提高，但强度没有任何降低牺牲。插图呈现的两种结构的共晶高熵合金的应变-硬化曲线，揭示了定向生长的多级共晶鱼骨结构具有持续且有效的应变硬化能力MDIH和MBIH分别表示多重平面滑移位错诱导硬化和微带诱导硬化。（B）与已报道的铸态的共晶和近共晶高熵合金（14, 15, 19, 20, 22, 23, 28-33）相比，这种定向生长的鱼骨型EHEAs展现出异常优异的强度与塑性结合。

图4 （A-D） SEM背散射电子图像揭示了随着拉伸变形的进行，发生了从软的BEC区域到硬的AEC区域顺序激活的变形行为。（E-H） SEM背散射电子图像展示了随着变形的进行，观察到了动态的微裂纹演变和优异的多级裂纹缓冲现象，因而诱导了异常稳定的高密度微裂纹，而非灾难性的过早断裂失效。（J）微裂纹长度、微裂纹密度和补偿应变在AEC区域中的演化。I - III阶段对应的拉伸应变分别为25 - 30%、30 - 40%和40 - 50%。共晶鱼骨高熵材料的整体延伸率为~50%，而微裂纹在应变25~30%就已经大量萌生，但却没有造成断裂失效。（K）多级裂纹缓冲原理图（详细微观机制见图5）。

图4所示。L12片层加载承担响应的微观结构和微观力学研究。（A-F）随着塑性变形的进行，在L12层片内部观察到一种动态的多级微结构细化——平滑滑移位错、滑移带、滑移带的细化、位错交滑移和微带。这种多级的微结构细化诱导了可持续的应变硬化能力，激发了显著的对裂纹的缓冲捕捉能力，因而防止了裂纹的不可控生长致使的过早失效断裂。（G和H）原位的高能同步辐射研究定量的揭示了由于动态的微结构细化，L12层片展现出不断增加的应力承载能力，而由于微裂纹的不断增加，B2层片的加载承担能力在应变25%后不断降低。

总之，该工作提供了一种仿生的多级微观结构设计方法，并在定向凝固的块状EHEA中得到验证。裂纹容限可以维持在巨大~25%的拉伸应变范围内而不发生断裂失效，结果使材料的延展性在不牺牲强度的情况下提高了3倍。这种多级结构的构筑方法和理念对于指导更广泛的共晶型铸态HEAs/传统合金的发展以及性能改善具有显著的实际意义。

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