西北工大《JMST》：极限抗拉高达1524MPa，延伸率23%！超强韧梯度纳米晶(GNG)结构中熵合金！

2022-02-07 17:21:39 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：本文采用高能喷丸强化技术，成功地在CrCoNi中熵合金（MEA）中引入了梯度纳米晶（GNG）结构，即晶粒尺寸从表层的纳米级（~ 50 nm）到中间层的微米级（~ 1.3 μm）。实验结果表明，这种 GNG CrCoNi MEA 显示出优异的强度和延展性组合性能，分别具有约 1215 MPa 和约 1524 MPa 的高屈服强度和极限抗拉强度，同时保持约 23.0% 的良好延展性。超异质变形诱导（HDI）硬化是由异质结构（即GNG 结构）引起的，GNG结构有助于强度的增强。拉伸过程中动态增强的异质结构导致 HDI 硬化效果增强，在高强度下具有出色的延展性和应变硬化能力。

作为潜在的结构材料，面心立方（FCC）型高/中熵合金（HEAs/MEAs）越来越受到关注，它们具有许多有前途的功能特性，例如优异的损伤容限、高耐磨性和耐腐蚀性、良好的抗辐照性，以及非凡的低温性能，这使它们成为工程应用的有力候选者。然而，这些 FCC HEA/MEAs在室温下表现出相对较低的屈服强度，与其优异的延展性相比，明显的强度-延展性两难权衡，为它们在结构工程中的应用提供了强大的障碍。因此，FCC 型 HEA/MEA 非常需要适当的设计，以获得高强度和良好延展性的优异组合。

传统的晶界硬化和沉淀硬化可能会在 HEA/MEA 中产生有希望的强化效果，但伴随着强度的提高通过高延展性牺牲。最近的研究表明，在金属和合金中调整异质性可以有效地产生异质变形诱导（HDI）硬化，从而产生优异的强度-延展性协同性能。吴等人。报道了通过冷轧（CR）和部分再结晶退火工艺制备的三级异质晶粒结构 CrCoNi MEA，其晶粒尺寸跨越纳米至微米范围，其屈服强度高于 1 GPa，同时保持优异的均匀着色约 22%。受上述策略的启发，设计结构异质性，即导致 HDI 硬化，应该是获得 FCC 型 HEA/MEA 的强度和延展性组合特性的有趣且有效的方法。

对此，西北工业大学凝固加工国家重点实验室罗贤教授团队选择 FCC 型 CrCoNi MEA 作为 HDI 硬化的基材，因为它具有高加工硬化性和优异的延展性。通过高能喷丸（HESP）在 CG CrCoNi MEA 中成功构建了 GNG 结构。实验结果表明，构建 GNG 结构具有优异的强度和延展性协同性能。该工作不仅将证明构建 GNG 结构应该是解决 FCC MEAs/HEA 中强度和延展性权衡问题的一种可行且有效的方法，而且为异质结构中的 HDI 硬化提供有用的见解。相关研究成果发表在材料学顶刊JMST（Journal of Materials Science and Technology）上。

链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.09.058

图1：CG CrCoNi MEA的EBSD研究，（a）IPF图像，

（b）晶粒尺寸分布和（c）晶界取向差

图2：通过HESP处理的CG CrCoNi样品的微观结构研究，

（a）-（c）最顶部表面的代表性横截面TEM BF图像，（d）~（f）分别为100μm深层和中心层，（a）NG结构，插图为相应的SADP，（b）孪晶UFG结构，红色箭头表示孪晶结构，（c）变形CG结构，黄色箭头表示高密度位错，（d）和（e）HESP处理的平板拉伸样品示意图，显示两个GNG层夹一个变形CG芯，（f）从中心到表面层的平均粒度分布。

图2显示了HESP处理后CG CrCoNi MEA样品的微观结构。

图 3显示了 CG 和 GNG CrCoNi MEA 样品的机械性能。图 3 （a）展示了两个样品从中心到表面的硬度分布。很明显，CG 样品在整个板厚上具有均匀的硬度分布，平均显微硬度约为 322 HV。GNG样品的硬度呈现明显的梯度分布，最上层表层达到~450 HV，中心层逐渐降低至~322 HV。图3（b）显示了典型的工程应力-应变曲线。平均晶粒尺寸为~1.3μm的CG MEA（见图1）的屈服强度（0.2% offset, YS）约为 750 MPa，极限抗拉强度（UTS）约为 1096 MPa，断裂伸长率（FE）仍约为 41.2%，而由 HESP 处理的 GNG 样品表现出优越的强度和延展性组合，YS和UTS分别达到~1215 MPa和~1524 MPa，同时FE保持在~23.0%的显着值。可以得出结论，该 GNG CrCoNi MEA 在高强度下表现出强大的加工硬化能力。

图3：CG和GNG CrCoNi MEA样品的机械性能：（a）表面到中心的硬度分布，

（b）典型的工程应力-应变曲线，以及（c）加工硬化率曲线，

并给出了UFG CrCoNi MEA样品的性能以供比较。

图4：当前GNG CrCoNi MEA与以往关于CrCoNi和基于不同强化方法的CrCoNi MEA的文献的比较结果

图5：（a） CG和GNG CrCoNi MEA样品的LUR拉伸试验结果，

（b）用于比较迟滞回线的放大图，以及（c）GNG CrCoNi MEA样品的计算HDI硬化，

其中σr和σu是LUR回线的重新加载屈服应力和卸载屈服应力

图6：通过TEM调查，在顶部表面拉伸测试GNG样品的代表性变形特征，

（a）最顶层的变形NG，（b）显示变形诱导NTs和延伸SFs的HRTEM图像，

（c）最顶层的变形孪晶UFG?100μm深层，（d）HRTEM图像，显示不同DTs和SFs结构的放大图，（e）中心层的变形CG，插图SADP表示DTs结构，（d）HRTEM图像，显示热孪晶演变为非相干HAGB，插图是相应的FFT。

图7：GNG样品中随外加应力增加的微观结构演变示意图，在拉伸过程中表现出动态增强的异质晶粒结构，（a）原始GNG结构：（b）非均匀变形导致CG结构中的HDI应力，和（c）由于DTs和/或SFs分离颗粒而形成更不均匀的结构。

在这项研究中，通过HESP处理将GNG结构引入FCC型CrCoNi MEA。GNG CrCoNi MEA显示出优越的强度和延展性协同性能，表现出高强度的YS和UTS，分别为？1215MPa和？1524 MPa，保持良好的延展性？23.0%. 这种GNG结构中不均匀变形导致的HDI硬化带来了了大部分非凡的屈服强度。大量DTs和/或SFs动态增强的非均质晶粒结构促进了HDI硬化效果的增强，这有助于在高强度下保持良好的延展性和应变硬化。这些工作证明，构建GNG结构应该是解决FCC MEAs/HEAs和其他低SFE材料的强度和延性折衷问题的一种可行和有效的方法，并且为理解异质结构中的HDI硬化提供了有用的见解。

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