西北工大重磅《Nature》子刊：强度2GPa，延伸率35%！共晶高熵合金取得重大进展！

2022-08-15 16:51:34 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：优异的延展性不仅对成形至关重要，而且对强化金属和合金也至关重要。迄今为止最广泛使用的共晶合金在先进结构材料中受到了延性下降的问题。本文报告了一种独特的相选择再结晶概念，通过完全触发双相的应变硬化能力来克服共晶合金的这一挑战。我们对共晶高熵合金(EHEA)中两相的应变分配行为进行了操作，得到了完全再结晶的软相嵌在硬相骨架中的相选择性再结晶显微组织。由此产生的微观组织消除了弱边界，充分释放了EHEA的应变硬化能力。我们的相选择性再结晶EHEA在真应力为~ 2 GPa的情况下获得了~ 35%的高延性均匀伸长率。这一概念适用于各种具有软硬相的双相合金，为传统共晶合金作为高强度金属材料开辟了新领域。

共晶合金在人类文明史上占有主导地位例如，农业社会的铸铁在现代工业中铸造铝合金共晶高熵合金(EHEAs)等先进金属材料。优良的可浇注性，无偏析/缺陷，以及自生的双相使共晶合金在低成本的量产和平衡的强度-塑性组合方面具有显著优势。然而，随着先进结构材料的快速发展，这些优势正在逐渐消失由于共晶合金的变形性能不理想，以及有限的冶金机制来延展性它们。

共晶合金在单轴拉伸过程中，弱界面(包括硬相的相界(PBs)和晶界(gb))的开裂导致合金过早失效。这种情况导致共晶合金的拉伸伸长率较低，即使它们的相都是应变硬化的。延缓裂纹萌生和防止裂纹扩展是迄今为止维持共晶合金应变硬化的唯一成功途径: 通过控制凝固过程细化组织通过热成形或剧烈塑性变形使两相再结晶，然后退火。虽然这些方法延缓了共晶合金的早期断裂，但由于大量裂纹形核，共晶相的应变淬炼性并没有被充分触发，因此获得超塑性块状共晶合金仍然具有挑战性。

在这项工作中，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，证明了相选择再结晶(PSR)通过充分利用共晶中两相的应变硬化能力来实现超韧性共晶合金。与传统的策略不同，他们主要专注于通过调整组成相的再结晶行为来消除和限制变形过程中的裂纹形核位置。随着早期裂纹的减少和限制，共晶中两相优异的应变硬化能力完全释放，其拉伸伸长率是铸态(AC)和完全再结晶(FR)共晶合金的两倍。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。

相关研究成果以题“Phase-selective recrystallization makes eutectic high-entropy alloys ultra-ductile”发表在nature communications上。

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

鉴于在PSR中两相之间的应变分配的关键作用，我们进一步揭示了应变分配行为。由于FCC相的显微硬度(~ 4.44 GPa)远低于B2相(~ 5.67 GPa)，因此其在变形过程中承受更多的应变。采用原位μ-DIC技术对应变分配行为进行了实验表征。在拉伸变形过程中，两相之间存在明显的应变差异(图4b)。定量分析表明，FCC相的局部von Mises应变甚至比B2相高6倍(图4c)。因此，冷轧可以诱导FCC相产生更多的应变能，从而促进后续的单晶再结晶。

从理论上讲，考虑到双相体系的力学性质，变形过程中各组成相的应变分配可以描述为共晶合金及其组成相的强度和加工硬化参数以及组成相的体积分数的函数。基于上述参数，我们提出了一个模型，以找到各种包含软相和硬相的共晶体系中适合PSR的变形水平。我们进一步将PSR加工策略应用于工业A357铸造铝合金，以证明其普适性。PSR后伸长率从AC状态的~ 8%显著增加到~ 23%。进一步强化后的A357合金的抗拉强度可达~ 400 MPa，是AC状态的两倍。理论和实验表明，PSR是一种通用而有力的方法来设计共晶合金作为高强度金属材料。

图1 PSR EHEA的|组织和力学性能。AC、FR和PSR EHEAs中FCC(上)和B2(下)相的a-c电子背散射衍射(EBSD)反极图(IPF)图。插页显示相应的极图(PF)映射。d拉力AC、FR和PSR EHEAs的真应力-应变曲线。e与传统的AC、FR和UFG EHEAs相比，现有的PSR和进一步强化的PSR EHEAs的极限抗拉强度与均匀延伸率。

图2 PSR EHEA的|断裂机制。绘制了AC、FR和PSR EHEAs的应变硬化速率曲线。b-d AC、FR和PSR EHEAs的断裂截面和表面。B2相内的微裂纹用黄色箭头表示。c中的插图显示了典型微裂纹周围B2相的EBSD IPF图，揭示了裂纹在GB处萌生。d中的insert比较FR和PSR EHEA之间的微裂纹数量密度，表明PSR EHEA的开裂倾向降低。误差条表示标准偏差。e、f μ-DIC结果表明，AC EHEA和PSR EHEA在拉伸变形过程中应变局部化严重，PSR EHEA应变分布均匀。所有图像的拉伸方向都是水平的。

图3 PSR EHEA的|变形机制。在断裂的AC EHEA中有一个位错的亚结构。b、c位错亚结构分别出现在18%和35%拉伸的PSR EHEAs中。PSR试样[001]、[011]、[111],分别揭示体心四方(BCT)晶体结构。超晶格用红色圆圈标出。g变形前后晶体结构变化示意图。

他们已经发现了PSR在提高力学性能方面的巨大优势，并揭示了其独特的机制。传统FR EHEA与现有PSR EHEA的主要区别在于B2相的非再结晶状态和骨架形态。PSR的关键在于我们对双相合金应变分配行为的批判性思考:适度变形会在两相中产生两种不同的应变水平，一种是再结晶，而另一种只能在后续热处理中引起恢复。附图10实验研究了EHEA中FCC相和B2相在不同变形量和后续退火条件下的恢复和再结晶行为。在催化裂化过程中，30%的变形量可以达到部分再结晶，而B2只恢复。据此，PSR独特的加工路线包括30%适度变形和退火两个循环(图4a)。经过一个循环的热机械处理后，不规则区域的FCC相部分再结晶。经过两轮热机械处理后，FCC相完全再结晶，B2相恢复粗化。

图4 |加工路线及PSR形成机制。加工路线和相应的微观结构演变示意图。对于PSR, AC EHEA进行30%冷轧(CR)， 1200℃退火2次。FCC相、B2相、PB、GB/TB用青色、黄色、黑色、和红色，分别。b AC EHEA在拉伸试验中的原位μ dic结果，揭示了FCC相和B2相在变形过程中的应变分配。c局部von Mises应变沿b中黄色箭头的变化，显示出更高的应变分配到FCC相。

总之，我们提出了一种通用的PSR方法来延化共晶合金。PSR,即。通过调整共晶两相之间的应变分配行为，实现了软相的单独再结晶和硬相的恢复。与传统的共晶合金加工方法相比，PSR通过消除弱边界来防止过早断裂，从而通过位错倍增和潜在相变激发两相具有本质优越的应变硬化能力。在典型FCC/B2 EHEA中，获得了~ 35%的均匀伸长率和~ 2 GPa的真应力。以应变分配为主的PSR机制保证了其在其他双相合金中的良好适应性，A357合金证明了这一点。这一策略结合了共晶合金优异的可铸造性和强化能力，将开辟共晶合金作为高强度金属材料在模型文明中的新领域。

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。