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高强塑梯度纳米位错结构高熵合金研究取得重要进展

中新网辽宁 2021-10-29 19:27
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  近期,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心卢磊研究员团队与国外合作者在高熵合金综合性能与独特变形机制研究方面取得重要进展,相关研究结果于9月23 日在《科学》周刊上以First Release形式在线发布。

  长期制约传统金属结构材料发展的“强度-塑性”倒置关系在高熵合金中普遍存在,原因是其塑性变形机制往往被认为与传统金属材料并无本质差别。因此,迫切需要借助新颖的微观结构构筑来揭示高熵合金是否具有独特变形机制,以丰富金属材料的有效强韧化策略。

  图1 Al0.1CoCrFeNi高熵合金中典型梯度位错结构。距离样品表面1.2 mm内(A, B)以及芯部(G, H)的截面EBSD结果显示晶粒 (形貌、尺寸、取向)以及内部位错结构在空间上的分布特征;(C) 梯度位错胞结构示意图;(D-E) 表层晶粒内典型位错胞TEM结果显示平均位错胞尺寸为200 nm,胞壁取向差介于0.7 o -4.8 o;(F) 对应D图单个晶粒内跨过诸多位错胞的累积取向差仅为7o。

  金属所研究人员通过一种简单、高效的小角度往复扭转梯度塑性变形技术,保持Al0.1CoCrFeNi高熵合金棒材样品中的初始晶粒大小,但在晶粒内部成功引入百纳米尺度位错胞稳定结构,并实现了位错胞结构从样品表面至芯部的梯度序构分布和可控制备。拉伸结果表明:梯度位错胞结构不仅显著提高材料屈服强度,同时还使其保持良好的塑性和稳定的加工硬化。梯度位错结构高熵合金的强塑积-屈服强度匹配明显优于文献报道中相同成分的均匀或梯度结构材料。并进一步揭示了高熵合金特有的层错强韧化变形机理,这种层错强化完全不同于传统结构材料的全位错强化,而与高熵合金中空间波动的低层错能、纳米尺度位错胞结构以及梯度序构效应引起的复杂应力场密不可分。

   图2 梯度位错结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力学性能和变形机制。(A) 拉伸工程应力-应变曲线;(B) 强塑积与归一化屈服强度曲线,表明梯度位错结构高熵合金的综合力学性能优于相同成分的其它均匀结构和梯度结构,同时也优于文献中其它梯度纳米晶和梯度纳米孪晶结构金属和合金;(C-D) 拉伸应变为3%时典型变形结构的HAADF-STEM结果表明梯度位错结构的塑性变形通过独特的超高密度亚十纳米层错和少量孪晶界协调。

  该研究表明简单、易行的往复扭转梯度塑性变形技术可广泛用于梯度结构材料的构筑与制备,具有重要的基础研究和应用价值。

  该研究工作获得国家自然科学基金委、中国科学院、辽宁“兴辽英才计划”及沈阳材料科学国家研究中心等项目资助。

  该论文的DOI信息如下: http://www.science.org.g-sin.com/doi/10.1126/science.abj8114

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