高性能結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)一直致力于追求卓越的力學(xué)強(qiáng)度、延展性和熱穩(wěn)定性，然而這些性能通常難以兼得。雖然晶體-非晶復(fù)合合金通常具備比非晶態(tài)合金更高的延展性，但是晶體-非晶界面容易促進(jìn)異質(zhì)形核，不利于晶體-非晶復(fù)合合金的熱穩(wěn)定性。

針對以上難點(diǎn)，來自德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所（馬普所）等單位的研究人員通過熱力學(xué)理論指導(dǎo)，提出了一種全新的合金設(shè)計(jì)理念，成功開發(fā)出兼具高熱穩(wěn)定性、超強(qiáng)以及可塑性的晶體-非晶納米復(fù)合合金。這一合金設(shè)計(jì)理念模仿了自然界共生系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)制，因此這種合金被稱之為“共生合金”。相關(guān)工作近期發(fā)表于材料研究領(lǐng)域頂級(jí)期刊Materials Today（影響因子：31.041）。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.025

通過設(shè)計(jì)制備Cr-Co-Ni（晶體相，18nm厚）/Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni（非晶相，12nm厚）納米片層結(jié)構(gòu)合金，實(shí)現(xiàn)了這種共生合金設(shè)計(jì)理念。研究發(fā)現(xiàn)，加熱或力學(xué)加載可促進(jìn)Ni、Co從Cr-Co-Ni晶體相向Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni非晶相的遷移。這一行為可以動(dòng)態(tài)提升非晶相的負(fù)混合焓，從而動(dòng)態(tài)穩(wěn)定其非晶結(jié)構(gòu)。因此，該共生合金的晶化溫度（T_X>973K）比初始TiZrNbHf基非晶相提高了200K。另外，加熱或力學(xué)加載可促進(jìn)Cr-Co-Ni晶體相發(fā)生HCP到FCC相變，使得其具備優(yōu)異的延展性。這一共生合金在室溫下具備3.6GPa的超高壓縮屈服強(qiáng)度以及15%的均勻塑性應(yīng)變，這一綜合力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的非晶合金以及納米片層合金。這種非晶相和晶態(tài)相之間元素的交互作用開啟了一種全新的共生策略，實(shí)現(xiàn)了兼具高熱穩(wěn)定性與超強(qiáng)高韌的合金材料。

文章共同第一作者為德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所（馬普所）的吳戈和劉暢博士（吳戈教授現(xiàn)已全職加入西安交通大學(xué)），共同通訊作者為德國馬普所/法國CNRS的Matteo Ghidelli博士、南方科技大學(xué)的逯文君助理教授、德國馬普所的Dierk Raabe院士、中南大學(xué)的李志明教授。其他作者還包括德國馬普所的Andrea Brognara，香港城市大學(xué)的鮑巖博士和劉思達(dá)博士，蘇州大學(xué)的吳小香教授，安徽工業(yè)大學(xué)的夏文真教授，德國馬普所的趙歡博士、饒婧博士生、Dirk Ponge博士、Vivek Devulapalli博士生與Gerhard Dehm教授。

 

圖1. 晶體-非晶共生合金的微觀結(jié)構(gòu)和成分。（a）典型高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微圖（HAADF-STEM）。插圖中是針對截面試樣的典型選區(qū)電子衍射（SAED）花樣，顯示了一個(gè)非晶環(huán)和具有{00 0 2}強(qiáng)織構(gòu)的衍射花樣。（b-c）截面高分辨掃描透射電子顯微圖（HR-STEM），分別顯示了<11 -2 0>晶帶軸下的HCP結(jié)構(gòu)（晶態(tài)CrCoNi相）和非晶相的類迷宮花樣。插圖是相應(yīng)的快速傅里葉變換圖（FFT），顯示了HCP相的{00 0 2}晶面是垂直于合金生長方向的，非晶相呈現(xiàn)出典型的漫射環(huán)特征。（d）晶體-非晶共生合金的HAADF-STEM以及能量散射譜圖（EDS）。（e）原子探針層析（APT）數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)圖，顯示了納米片層結(jié)構(gòu)。（f）從APT數(shù)據(jù)中截取1nm厚薄片，并作出關(guān)于Cr、Co、Ni的2D濃度分布圖。（g）在（f）圖中箭頭所示區(qū)域的1D成分圖。

圖2. 晶體-非晶共生合金的熱穩(wěn)定性。分別于（a）室溫下，（b）623K退火600s，（c）973K退火3600s的原位加熱實(shí)驗(yàn)下的HAADF-STEM圖。在（a）中的紅色和綠色箭頭分別指向非晶層和晶體層。（d）在不同退火溫度保持1小時(shí)后共生合金的硬度變化。（e）試樣于973K非原位退火1小時(shí)后的球差校正HRTEM圖，顯示了晶體-非晶納米復(fù)合結(jié)構(gòu)得以維持。右上角和右下角的插圖為虛線綠框和虛線黃框區(qū)域的FFT圖，分別顯示了HCP與FCC結(jié)構(gòu)。在靠近晶體-非晶界面的非晶層中可以發(fā)現(xiàn)有一些很小的納米晶（箭頭所示），這一現(xiàn)象可能是退火過程中的不完全非晶化造成的。原因是在于靠近晶體-非晶界面處的非晶層含有較少的Ti、Zr、Nb和Hf元素，導(dǎo)致了玻璃形成能力（GFA）的下降。（f）623K退火1小時(shí)試樣的APT數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)。（g）在（f）圖中箭頭所示區(qū)域的623K和973K退火1小時(shí)試樣的1D成分圖。

圖3. 晶體-非晶共生合金在室溫下的原位TEM拉伸變形行為。晶體-非晶共生合金在（a）拉伸前以及（b）拉伸過程中的明場TEM圖。（c）在圖（b）中放大區(qū)域的環(huán)形暗場（ADF）STEM圖，顯示了在拉伸過程中裂紋的產(chǎn)生。（d₁-d₃）在拉伸過程中裂紋前端晶體層的HRTEM原位視頻截圖，顯示了其寬度從18nm減小至14nm。（e₁-e₃）在（d₁-d₃）中方框區(qū)域的放大圖。（f₁-f₃）在（e₁-e₃）中方框區(qū)域的晶格解析結(jié)構(gòu)放大圖，顯示在拉伸過程中同一區(qū)域發(fā)生了由HCP向FCC的相變。（g₁-g₃）晶體相和非晶相在斷裂過程中的HRTEM原位視頻截圖。（h₁-h₃）與（i₁-i₃）在（g₁-g₃）中方框區(qū)域的放大圖，顯示了斷裂過程中晶體相和非晶相都發(fā)生了頸縮現(xiàn)象。

圖4. 晶體-非晶共生合金的力學(xué)性能。（a）微米柱試樣的壓縮工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）合金的歸一化剪切屈服強(qiáng)度vs.均勻變形數(shù)據(jù)圖，顯示共生合金相比傳統(tǒng)非晶合金與納米片層合金具有更優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。（c）共生機(jī)制示意圖。在初始合金中，晶體相和非晶相分別具備HCP（BCBC…原子堆垛次序）與非晶結(jié)構(gòu)。加熱過程中，化學(xué)元素由晶體相向非晶相動(dòng)態(tài)遷移（左圖箭頭所示），動(dòng)態(tài)增強(qiáng)了非晶相的負(fù)混合焓，從而穩(wěn)定了共生合金整體的晶體-非晶結(jié)構(gòu)。另外，在加熱過程中，化學(xué)元素遷移改變了晶體相的層錯(cuò)能，使得晶體相的一部分HCP結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>FCC結(jié)構(gòu)（ACBA…原子堆垛次序）。（d）該類新型共生合金體現(xiàn)出三方面的效應(yīng)：化學(xué)元素由晶體相向非晶相發(fā)生動(dòng)態(tài)遷移（動(dòng)力學(xué)）；晶體相較低的層錯(cuò)能與非晶相較大的負(fù)混合焓（熱力學(xué)）；晶體-非晶結(jié)構(gòu)具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、晶體相由HCP向FCC轉(zhuǎn)變帶來更高的塑性變形能力、非晶相的均勻塑性流變（性能）。

*感謝論文作者團(tuán)隊(duì)對本文的大力支持。

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