西工大《Nature》子刊！双相合金强韧化重大突破！

2022-08-15 14:41:24 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

优异的延展性对合金成型与强化至关重要，传统共晶等双相合金因其有限延展性在先进结构材料中逐渐失去优势。日前，西北工业大学王锦程教授团队在双相合金韧化方面取得重大进展，提出了一种独特的相选择再结晶概念，可充分激发双相合金固有的优异加工硬化能力，显著提升其延展性。以FCC/B2共晶高熵合金为模型，通过调控两相应变分配与再结晶行为，获得了完全再结晶的软相嵌在未再结晶的骨架状硬相的相选择再结晶组织。该组织消除了变形过程中潜在的裂纹源，促进合金发生持续加工硬化，使其具有高达35%的均匀延伸率和接近2 GPa的断裂真应力。相选择再结晶策略对同时包含软硬相的双相合金具有一定普适性，有望促进传统双相合金作为超高强结构材料的应用。

相关论文以“Phase-selective recrystallization makes eutectic high-entropy alloys ultra-ductile”为题，发表在国际顶尖期刊《Nature Communications》上。西北工业大学博士生吴庆峰和青年教师何峰教授为共同第一作者，西北工业大学王锦程教授、王志军教授为共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32444-4

通过多道次中等变形量冷轧与高温退火工艺，作者获得了相选择再结晶（PSR）共晶高熵合金。其中，FCC相完全再结晶，取向随机分布，内部包含大量大角度晶界；而B2相保持回复状态，具有部分特定取向、内部以小角度晶界为主。该组织完全不同于铸态（AC）合金的层片与不规则混合组织和完全再结晶态（FR）合金的等轴双相组织。相选择再结晶合金均匀延伸率相比铸态和完全再结晶态提升一倍，且表现出优异的加工硬化能力，其断裂真应变达到30%，真应力接近2 GPa。通过进一步引入位错和析出等强化机制，可将合金抗拉强度提升至近2.2 GPa，远超现有共晶高熵合金。

图1 相选择再结晶合金微观组织与力学性能

不同于铸态和完全再结晶态合金加工硬化未达到失稳条件即发生断裂，相选择再结晶合金充分加工硬化直至失稳。利用原位拉伸实验对断裂机制深入分析表明相选择再结晶合金消除潜在的裂纹源是其塑性提升的关键。铸态合金中与加载方向成45°的层片位置极易产生应变集中，导致样品提前失效，其断口表现出部分脆性断裂特征。完全再结晶态合金消除了层片组织，其应变分布相对均匀。然而，合金中B2相由于再结晶形成的大量晶界成为新的裂纹源，同样导致样品提前失效。相反，相选择再结晶合金消除层片组织的同时不会在B2相内部引入晶界，避免了合金的提前失效。

图2 相选择再结晶合金断裂机制

相选择再结晶在抑制合金提前断裂的同时充分激发了其组成相固有的优异加工硬化能力。在拉伸断裂的共晶高熵合金试样中，FCC和B2相内部均存在高密度位错，表明两相具有优异的位错增殖与存储能力，这也使合金表现出超强的背应力强化效果。此外，作者还在断裂试样中发现了B2相发生相变的证据。对晶格常数的测量表明B2相由变形前的体心立方结构转变成变形后的体心四方结构。因此，相选择再结晶合金的超高塑性是通过激发FCC和B2相产生高密度位错以及B2相发生马氏体相变实现的。

图3 相选择再结晶合金变形机制

相选择再结晶工艺的基本原理决定了其对于双相合金的普适性。对于同时包含软相与硬相的双相合金，变形过程中软相会承担更多应变。因此，通过合理调控变形量即可实现软相变形量超过其再结晶临界变形量，而硬相变形量小于其再结晶临界变形量。对于FCC/B2共晶高熵合金，实验和计算结果均表明30%是合适的相选择再结晶变形量。此外，作者将相选择再结晶工艺应用于A357铸造铝合金中，获得了相似的强韧化效果。

图4 相选择再结晶工艺与组织形成机制

综上所述，本文提出了一种通用的相选择再结晶工艺来韧化共晶等双相合金。通过调控变形过程中两相应变分配行为，实现了软相的选择性再结晶，保持了硬相的回复状态。对比传统加工工艺，相选择再结晶可消除层片相界、硬相晶界等裂纹源，充分激发两相持续的位错增殖和潜在相变等加工硬化能力。在FCC/B2共晶高熵合金中，获得了35%的均匀延伸率和接近2 GPa的断裂真应力。应变分配决定的相选择再结晶机制及该工艺在A357合金中的成功应用证明了其对于双相合金的普适性。结合共晶合金自身优异的铸造性能，相选择再结晶策略有望促进共晶合金作为超高强结构材料的应用。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。