變形機(jī)制的案例
Science子刊：罕見的第四種變形機(jī)制！首次發(fā)現(xiàn)于等原子高熵合金
基于CrCoNi的HEAs表現(xiàn)出多種變形途徑：位錯介導(dǎo)的塑性、孿晶誘導(dǎo)的塑性，以及在特定合金中相變誘導(dǎo)的塑性(TRIP)。在三元CrCoNi合金和非等原子HEAs中，由于其明顯較低的堆垛層錯能，已經(jīng)報道了涉及fcc向六方密排(hcp)轉(zhuǎn)變的TRIP效應(yīng)；然而，到目前為止，還沒有明確的證據(jù)表明在經(jīng)典等原子CrMnFeCoNi Cantor HEA中存在這樣的變形誘導(dǎo)(在環(huán)境壓力下)相變。
在此，研究者提供的分析證據(jù)表明，在非常高的應(yīng)變率加載下，Cantor合金中可以觀察到TRIP效應(yīng)；研究表明，在高應(yīng)變和/或提高應(yīng)變率時，一種額外的、但更罕見的變形機(jī)制出現(xiàn)了，即固態(tài)非晶化，這似乎是極端加載條件下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的一個特征。層錯和孿晶，沿{111}平面的協(xié)調(diào)傳播產(chǎn)生高變形區(qū)，這些高變形區(qū)可重組為六邊形包體；當(dāng)這些區(qū)域的缺陷密度達(dá)到臨界水平時，它們會產(chǎn)生非晶材料島。這些區(qū)域具有出色的機(jī)械性能，提供額外的強(qiáng)化和/或增韌機(jī)制，以提高這些合金承受極端載荷的能力。
圖1 鍛造CrMnFeCoNi HEA的初始微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)響應(yīng)和示意圖樣品幾何形狀。
圖2模壓CrMnFeCoNi材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形組織研究。
圖3 動態(tài)壓縮/剪切作用下CrMnFeCoNi 材料的變形組織。
圖4 對變形程度增加的等原子CrCoNi基高階材料提出了分層變形機(jī)制范式。
綜上所述，研究者認(rèn)為，非晶化實際上是一種附加的變形機(jī)制，除了位錯介導(dǎo)的塑性、機(jī)械孿晶和馬氏體fcc→hcp相變外，還提供了多種途徑來耗散所傳遞的應(yīng)變能。HEAs變形機(jī)制的通用性和協(xié)同性使其成為極端承重應(yīng)用的可行候選材料，如沖擊穿透、保護(hù)和極端低溫環(huán)境。
展開 《Acta Mater》：多組分熵合金在高頻動態(tài)加載下的獨特變形機(jī)制！
高頻動態(tài)加載下合金多滑移系的開啟和晶粒的大角度多向轉(zhuǎn)動，也有利于容納塞積的位錯，減少應(yīng)力集中，并可顯著弱化變形織構(gòu)。
圖4 不同加載模式下的微觀組織結(jié)構(gòu)演變和變形機(jī)制示意圖
基于以上獨特的宏觀變形特性和微觀組織演化機(jī)理，采用高頻動態(tài)加載模式，對Al80Li5Mg5Zn5Cu5多組元合金進(jìn)行了三維六邊形結(jié)構(gòu)（直徑2 mm）和二維溝槽（深度80 μm）的模壓成形實驗，如圖5所示，模具的復(fù)制比率達(dá)到90%以上，最大加載應(yīng)力為98 MPa，小于合金壓縮強(qiáng)度的1/6，且結(jié)構(gòu)成形在1 s之內(nèi)完成，實現(xiàn)了多組分熵合金的快速、低應(yīng)力塑性成形。
基于粘塑性自恰模型（VPSC）的鈦合金拉伸壓縮織構(gòu)演變模擬
可以看出，相比于拉伸變形，壓縮過程中錐面滑移的活性更高因此其發(fā)揮了更大的作用去協(xié)調(diào)變形，而基面滑移活性有所下降，柱面滑移以及拉伸孿晶和壓縮孿晶的變化趨勢則與拉伸變形基本相同。
圖7 VPSC預(yù)測的拉伸過程中變形機(jī)制活性 圖8 VPSC預(yù)測的壓縮過程中變形機(jī)制活性
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西南交大《IJP》：高熵合金溫度相關(guān)變形行為的本構(gòu)建模和性能調(diào)控
.%)高熵合金（簡稱iHEA）同時具有多種強(qiáng)化機(jī)制和塑性變形機(jī)制。在低溫77K下，由于馬氏體相變得到增強(qiáng)，iHEA的應(yīng)變硬化能力獲得顯著提升，極限應(yīng)力可達(dá)1.3 GPa，且斷裂韌性仍有約45%。然而，實驗研究仍然無法使一些問題得到全面解答：在低溫下，為何粗晶iHEA的屈服應(yīng)力明顯增加，而細(xì)晶iHEA的卻幾乎不變？為何馬氏體相變得到顯著增強(qiáng)，而孿生機(jī)制卻幾乎不再激活？這些問題阻礙了對iHEA變形溫度效應(yīng)的深入理解，也限制了對不同溫度下iHEA力學(xué)行為的描述和預(yù)測。
針對上述問題，西南交通大學(xué)康國政教授團(tuán)隊建立了考慮溫度效應(yīng)和晶粒尺寸效應(yīng)的多物理機(jī)制晶體塑性本構(gòu)模型，量化了不同強(qiáng)化機(jī)制和塑性變形機(jī)制對iHEA變形行為的貢獻(xiàn)，在準(zhǔn)確描述不同溫度下粗晶和細(xì)晶iHEA變形響應(yīng)和馬氏體體積分?jǐn)?shù)演化的基礎(chǔ)上，深入探討分析了上述問題。在此基礎(chǔ)上，預(yù)測了不同溫度和不同晶粒尺寸下iHEA的強(qiáng)韌性。相關(guān)成果以論文“Temperature effect on tensile behavior of aninterstitial high entropy alloy: Crystal plasticity modeling”發(fā)表在固體力學(xué)領(lǐng)域頂級期刊International Journal of Plasticity上。論文共同第一作者為西南交通大學(xué)張旭教授和四川大學(xué)專職博后陸曉翀，通訊作者為康國政教授和張旭教授，合作者包括中國工程物理研究院趙建鋒助理研究員、西南交大闞前華教授和中南大學(xué)李志明教授。
展開 
基于晶體塑性有限元（CPFEM）的鈦合金圓棒拉伸過程模擬
這種方法考慮了晶體材料的各向異性、滑移系統(tǒng)的開動和相互作用、以及變形過程中的硬化效應(yīng)。它主要用于分析和預(yù)測晶體材料的塑性變形行為，特別是在微觀尺度上的變形機(jī)制。
晶體塑性有限元在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是在金屬加工、航空航天、汽車制造和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。通過這種技術(shù)，研究人員和工程師可以更好地理解材料的力學(xué)行為，從而開發(fā)出更輕、更強(qiáng)、更耐用的材料和產(chǎn)品。此外，晶體塑性有限元仿真還能夠考慮材料的微觀結(jié)構(gòu)特征，如晶粒取向、晶界、相分布以及滑移系統(tǒng)的活動，從而能夠預(yù)測材料在細(xì)觀尺度上的織構(gòu)演化。
利用CPFEM方法對鈦合金圓棒拉伸過程進(jìn)行模擬，使用UMAT子程序以及Abaqus有限元軟件作為晶體塑性有限元分析的實現(xiàn)方式。并且，在一些復(fù)雜工藝條件下如切削、軋制、沖壓等，CPFEM方法同樣適用，能夠模擬材料變形過程中的非線性行為和動態(tài)響應(yīng)。
在晶體塑性有限元中，首先在Abaqus中建立了單軸拉伸有限元模型如圖1所示，材料被建模為包含大量晶粒的集合體如圖2所示，每個晶粒都有其特定的晶體取向，并且每個晶粒的變形過程均考慮了滑移和孿晶的變形機(jī)制。
圖1 單軸拉伸有限元模型示意圖
圖2 單軸拉伸晶體塑性模型示意圖
通過有限元方法，可以計算出在給定拉伸載荷下，這些晶粒如何相互作用，以及它們?nèi)绾坞S時間變形。這種方法能夠提供關(guān)于晶體材料內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和變形機(jī)制的詳細(xì)信息，有助于理解材料在受力時的響應(yīng)，并優(yōu)化材料的設(shè)計和加工過程。圖3所示為單軸拉伸過程應(yīng)力云圖，圖4所示為單軸拉伸過程孿晶云圖。
圖3 單軸拉伸過程應(yīng)力云圖
圖4 單軸拉伸過程孿晶云圖
通過晶體塑性有限元方法，可以對材料變形過程中的晶體學(xué)取向信息進(jìn)行分析。
展開 中科院沈陽金屬所&美國布朗大學(xué)今日Science：梯度納米孿晶金屬強(qiáng)度和硬度的同步增強(qiáng)
微結(jié)構(gòu)梯度正越來越多地被引入到各種工程材料中，通過不同于無梯度對等體的變形機(jī)制，為材料提供更高的強(qiáng)度、硬度、加工硬化、延展性和抗疲勞性。然而，理解包括工程材料在內(nèi)的所有梯度結(jié)構(gòu)中與結(jié)構(gòu)梯度相關(guān)的力學(xué)行為一直是一項挑戰(zhàn)。
盡管結(jié)構(gòu)梯度的控制對于獲得優(yōu)化的機(jī)械性能至關(guān)重要，但是現(xiàn)有的制造方法限制了塊體梯度材料。例如，表面加工和機(jī)械處理會產(chǎn)生僅位于表面附近的有限的梯度層，或者產(chǎn)生沿梯度方向可忽略的結(jié)構(gòu)梯度。所有這些都限制了我們調(diào)控機(jī)械性能和理解梯度結(jié)構(gòu)金屬變形機(jī)制的能力。
【成果簡介】
今日，來自美國布朗大學(xué)的Huajian Gao和中科院沈陽金屬所的盧磊研究員（共同通訊）聯(lián)合在Science上發(fā)文，題為“Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals”。作者研究了純銅中具有高度可調(diào)結(jié)構(gòu)梯度的梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。較大的結(jié)構(gòu)梯度允許優(yōu)異的硬度和強(qiáng)度，機(jī)械性能優(yōu)于梯度結(jié)構(gòu)中的任一組分。作者通過系統(tǒng)實驗和原子模擬發(fā)現(xiàn)，這種不尋常的行為是由晶粒內(nèi)部超高密度位錯的獨特圖案提供的。這些觀察結(jié)果不僅揭示了梯度結(jié)構(gòu)，也可能為通過梯度設(shè)計改善材料的機(jī)械性能指明了一條有希望的途徑。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1. 典型的GNT樣品GNT - 1的微結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)梯度
圖2. GNT結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能
圖3.
展開 東北大學(xué)：高性能納米/超細(xì)晶奧氏體不銹鋼工業(yè)化制備新技術(shù)！
圖4納米/亞微米晶304不銹鋼不同溫度下的拉伸曲線
三、主要創(chuàng)新性成果
基于前期課題組關(guān)于納米/亞微米晶鋼的研究基礎(chǔ)，以304不銹鋼為研究對象，旨在制備出大尺寸高強(qiáng)塑性的納米/亞微米晶奧氏體不銹鋼，并圍繞組織納米化機(jī)理（包括變形過程中的馬氏體相變和退火過程中的逆相變機(jī)制）、強(qiáng)塑性控制、塑性變形機(jī)制、加工硬化行為、低溫超塑性行為、耐腐蝕性能等展開一系列研究，以期能為高強(qiáng)塑性納米/亞微米晶鋼的制備提供一定的理論依據(jù)，為后續(xù)實際工業(yè)生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。主要創(chuàng)新性成果如下：
1、研究了加熱速率對馬氏體→奧氏體逆相變機(jī)制的影響，發(fā)現(xiàn)加熱速率＜10°C/s，逆相變機(jī)制為擴(kuò)散型，形成100~500nm的等軸奧氏體；加熱速率＞40°C/s，逆相變機(jī)制為切變型，形成高位錯密度的不均勻?qū)訝罱M織，使材料具有高強(qiáng)塑性。
2、細(xì)晶強(qiáng)化使均勻的納米/亞微米晶鋼具有極高的屈服強(qiáng)度(＞1GPa)，良好的延伸率(＞30%)源于大的呂德斯應(yīng)變；在納米/亞微米晶基體中引入部分再結(jié)晶粗晶可有效消除呂德斯變形，形成的多尺度納米/超細(xì)晶組織具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配。
3、制備的納米/亞微米晶304不銹鋼在600°C具有類超塑性（最大延伸率Amax為153%），在630°C具有超塑性（Amax為300%）；超塑性變形機(jī)制為晶界滑動，同時通過晶界遷移和位錯運動協(xié)調(diào)變形；低溫超塑性的實現(xiàn)拓寬了高強(qiáng)納米晶鋼的應(yīng)用。
4、研究了納米/亞微米晶奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)隨著晶粒的細(xì)化，材料的耐腐蝕性能明顯提高，其原因為納米/亞微米晶304不銹鋼鈍化膜增厚且穩(wěn)定性提高。
四、應(yīng)用情況與效果
本研究發(fā)表SCI論文8篇，授權(quán)國家發(fā)明專利3項，出版專著2部。
展開 一種高性能超低溫材料：高熵合金
CIENCE CHINA Materials 近期在線發(fā)表的一篇論文深入研究了CoCrFeNi高熵合金的超低溫服役行為，發(fā)現(xiàn)液氦環(huán)境下孿晶主導(dǎo)的變形機(jī)制引發(fā)了鋸齒流變行為，變形孿晶和相變行為的共同作用導(dǎo)致了其優(yōu)異的力學(xué)性能。
超低溫材料在深空探測、應(yīng)用超導(dǎo)和氣體工業(yè)領(lǐng)域有諸多應(yīng)用。隨著聚變反應(yīng)堆領(lǐng)域和空間技術(shù)的進(jìn)步，針對高性能低溫材料的需求越來越迫切。高熵合金作為多主元合金（多種合金元素等比例或近似等比例組成）的代名詞，近些年引起研究人員的廣泛關(guān)注。由于其合金設(shè)計理念的不同，高熵合金被認(rèn)為具有突破傳統(tǒng)材料諸多性能極限的潛力。
美國國家航空航天局發(fā)射的好奇號、洞察號火星探測器和洞察號傳回地球的第一張圖片。（來自pixabay和百度圖片）
聚變反應(yīng)堆裝置示意圖
該文詳細(xì)研究了具有面心立方結(jié)構(gòu)的CoCrFeNi高熵合金的超低溫服役行為，結(jié)果顯示該合金在極低溫環(huán)境下，能夠保持高強(qiáng)度和極優(yōu)異的韌性。
CoCrFeNi高熵合金的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線
歸根結(jié)底，這些優(yōu)異的綜合性能源于多組元合金極低的層錯能，使變形孿晶在超低溫環(huán)境下大量出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致材料在極限溫度下保持高強(qiáng)高韌的特點。另外，研究還發(fā)現(xiàn)該合金在超低溫環(huán)境準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時表現(xiàn)出FCC-HCP相變行為，說明在極低溫且高應(yīng)力狀態(tài)下，HCP結(jié)構(gòu)的CoCrFeNi合金比FCC結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，加深了我們對高熵合金相穩(wěn)定性的認(rèn)識。除此之外，高熵合金在液氦溫區(qū)拉伸時出現(xiàn)了鋸齒流變行為，作者認(rèn)為這種特異性的現(xiàn)象是由孿晶主導(dǎo)的變形機(jī)制引起的，且相變行為的出現(xiàn)導(dǎo)致了該鋸齒行為不穩(wěn)定。
不同金屬材料在4.2 K時的拉伸強(qiáng)度-延伸率圖
以上結(jié)果及上圖顯示，與傳統(tǒng)的金屬材料相比，高熵合金在極低溫環(huán)境結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域具有很大的工業(yè)應(yīng)用潛力。
展開 梯度納米孿晶強(qiáng)化與硬化研究獲新突破
鑒于其獨特的變形機(jī)制，梯度結(jié)構(gòu)材料普遍表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度、硬度、加工硬化及抗疲勞性能等。但是，如何理解結(jié)構(gòu)梯度對力學(xué)性能的影響規(guī)律長期以來面臨巨大挑戰(zhàn)。其原因之一是現(xiàn)有技術(shù)很難制備出結(jié)構(gòu)梯度精確可調(diào)控的塊體材料，如表面加工或機(jī)械處理技術(shù)所獲樣品梯度層體積分?jǐn)?shù)及結(jié)構(gòu)梯度均有限，從而嚴(yán)重限制了人們對梯度結(jié)構(gòu)金屬內(nèi)在梯度與力學(xué)性能相關(guān)性以及其本征變形機(jī)制的理解。
盧磊和高華健課題組的科研人員利用直流電解沉積技術(shù)，通過調(diào)節(jié)電解液溫度，實現(xiàn)孿晶片層厚度和晶粒尺寸沿樣品厚度的梯度變化，獲得結(jié)構(gòu)梯度定量可控的納米孿晶銅材料。隨結(jié)構(gòu)梯度增加，梯度納米孿晶銅強(qiáng)度和加工硬化率同步提高；結(jié)構(gòu)梯度足夠大時，梯度材料的強(qiáng)度甚至超過了梯度微觀結(jié)構(gòu)中最強(qiáng)的部分。這種獨特的強(qiáng)化行為在其它均勻、非均勻微觀結(jié)構(gòu)中均未觀察到。
科研人員通過微觀結(jié)構(gòu)分析與分子動力學(xué)計算模擬結(jié)合發(fā)現(xiàn)，梯度納米孿晶銅額外的強(qiáng)化和加工硬化歸因于梯度結(jié)構(gòu)約束而產(chǎn)生的大量幾何必需位錯富集束。這些位錯富集束在變形初期形成，沿著梯度方向均勻分布在晶粒內(nèi)部。這種均勻分布的位錯束結(jié)構(gòu)，與均勻結(jié)構(gòu)材料中隨機(jī)分布的統(tǒng)計儲存位錯結(jié)構(gòu)截然不同，具有超高位錯密度的位錯富集束變形過程中通過阻礙位錯運動、有效抑制晶界應(yīng)變局域化從而提高梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和加工硬化。
展開 馬普所&川大《Nature Commun》：金屬強(qiáng)度與位錯密度和應(yīng)變速率的關(guān)系
位錯滑移是一種普遍的變形機(jī)制，其控制著金屬的強(qiáng)度。
來自德國馬普研究所和四川大學(xué)的范海東&四川大學(xué)的王清遠(yuǎn)等研究者，通過離散位錯動力學(xué)和分子動力學(xué)模擬，研究了銅鋁單晶強(qiáng)度的應(yīng)變速率和位錯密度的依賴性。相關(guān)論文以題為“Strain rate dependency of dislocation plasticity”發(fā)表在Nature Communications上。更多精彩專業(yè)視頻抖音搜索：材料科學(xué)網(wǎng)。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21939-1
金屬因其優(yōu)異的承載能力而被廣泛使用，這得益于其機(jī)械強(qiáng)度和損傷容忍度。應(yīng)變速率硬化效應(yīng)是位錯滑移變形的金屬材料中普遍存在的現(xiàn)象，但在固溶硬化合金中，位錯-溶質(zhì)相互作用可能導(dǎo)致應(yīng)變速率軟化的有限變形條件除外。然而，應(yīng)變速率和微尺度變形機(jī)制之間的關(guān)系仍然缺乏了解，而大多數(shù)動態(tài)本構(gòu)模型(如Johnson-Cook、Zerillii-Armstrong)都是用現(xiàn)象學(xué)或半現(xiàn)象學(xué)的方式表述的，其幾個經(jīng)驗參數(shù)不能反映微尺度變形機(jī)制——需要符合特定的實驗，而失去了一般性。
展開 《Acta Mater》: 層錯能和短程有序?qū)π〕叨炔牧狭W(xué)性能的影響
原因是不同的樣品尺寸，層錯能和短程序所導(dǎo)致的不同的變形機(jī)制。
3. Cu微柱由大尺寸（~1微米）下的多系滑移演變?yōu)樾〕叽缦碌?em>變形孿晶（<200 nm）；Cu – 7 at.%Al微柱由大尺寸下的單系多點激活的變形孿晶轉(zhuǎn)變?yōu)樾〕叽缦碌膶\晶界擴(kuò)展； Cu – 15 at.%Al的變形機(jī)制受到低層錯能和高短程序的競爭作用：大尺寸Cu – 15 at.%Al中高短程序主導(dǎo)變形，材料以集中的滑移帶為主。小尺寸Cu – 15at.%Al中低層錯能主導(dǎo)，材料以變形孿晶為主。合金材料中短程序和層錯能對材料變形機(jī)制的決定作用受到樣品尺寸的顯著影響。
文章內(nèi)容簡介：
亞微米尺寸范圍內(nèi)的Cu，Cu-7 at.%Al 和 Cu-15at.%Al 單晶（層錯能遞減，短程序遞增）沿<001>方向壓縮結(jié)果如圖1所示：三種材料均呈現(xiàn)出了明顯的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)。并且曲線顯示出非常明顯的抖動，表明塑性變形中伴隨有明顯的應(yīng)變突變（strain burst）。
圖1. 工程應(yīng)力–應(yīng)變曲線實例
圖2展示了針對三種材料中的大量位錯突變的統(tǒng)計分析結(jié)果。
展開 
中國力學(xué)學(xué)會第101次青年學(xué)術(shù)沙龍活動在成都舉行
劉建峰教授的報告題目為《卸荷裂隙面影響下的巖石流變機(jī)理》，他從錦屏一級電站地下廠房的工程實際問題談起，介紹了通過裂隙巖體模擬實驗和三軸蠕變試驗獲得卸載裂隙巖體的蠕變力學(xué)行為，研究圍巖長期大變形機(jī)制，進(jìn)而得出卸荷裂隙面影響下的巖石流變機(jī)理的研究方法。基于能量分析和損傷分析建立的蠕變模型，可以根據(jù)短期荷載下巖體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，建立不同應(yīng)力條件下巖體的應(yīng)變能特征譜系。該模型可以對大理巖蠕變狀態(tài)進(jìn)行判斷和預(yù)測，為利用數(shù)值仿真方法評價地下工程開挖卸荷的蠕變大變形提供新思路。
范海冬副教授的報告題目為《鎂合金中位錯與孿晶塑性的多尺度模擬》，他首先介紹了在結(jié)構(gòu)減重趨勢下，鎂作為輕量綠色材料的研究難點，隨后通過對鎂的晶體結(jié)構(gòu)與變形機(jī)制、位錯滑移與孿晶變形等力學(xué)行為的研究，得出位錯的雙峰析出強(qiáng)化機(jī)制和孿晶析出的強(qiáng)化機(jī)制。研究表明，多數(shù)析出物對孿晶的強(qiáng)化效果要高于對位錯的強(qiáng)化效果，柱面板條析出物對孿晶與位錯均有不錯的強(qiáng)化效果。
針對報告內(nèi)容，與會代表進(jìn)行了熱烈的討論和交流，第101次沙龍在輕松的氣氛下落下了帷幕。
來源：中國力學(xué)學(xué)會
展開 間隙等原子比CoCrFeMnNi高熵合金:碳含量、微觀結(jié)構(gòu)和成分均勻性對變形行為的影響
基于等原子比CoCrFeMnNi HEA的主要變形機(jī)制為相對低應(yīng)變下的位錯滑移和高應(yīng)變下的孿晶行為，與雙相HEA的變形機(jī)制存在本質(zhì)上的差異，兩種情況下成分均勻性對強(qiáng)度-塑性組合的影響可能存在差異。此外，對于間隙元素?fù)诫s的HEAs，間隙摻雜和成分均勻性這兩者之間可能存在交互作用，這是因為間隙元素本身還會改變合金的相態(tài)與化學(xué)穩(wěn)定性。這些因素對力學(xué)性能的潛在聯(lián)合作用是完全未知的。然而，這些信息對于改進(jìn)HEAs的力學(xué)性能和進(jìn)一步的成分-加工-微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常重要的。
【成果簡介】
在利用間隙合金化提高多主元高熵合金力學(xué)性能的同時，其有效性取決于間隙元素含量、微觀結(jié)構(gòu)和成分均勻性狀態(tài)。在此，來自德國馬普所的李志明博士（通訊作者）在Acta Materialia發(fā)表文章，題為“Interstitial equiatomic CoCrFeMnNi high-entropy alloys: carbon content, microstructure, and compositional homogeneity effects on deformation behavior”。作者提出并討論了這些因素在室溫下對間隙等原子比CoCrFeMnNi HEAs力學(xué)行為的影響。對包含0.2、0.5和0.8 at. %的碳的HEAs?進(jìn)行處理形成不同成分均勻性和組織細(xì)化狀態(tài)。結(jié)果表明，變形初期各間隙HEAs的變形機(jī)制為位錯滑移，而變形后期則產(chǎn)生孿晶。在形變后期相同應(yīng)變條件下，由于層錯能隨著碳含量的增加而升高，納米孿晶密度隨碳含量的增加而減小。此外，C含量的增加導(dǎo)致退火過程中再結(jié)晶的能量勢壘明顯升高。
展開 《Nature Commun》：利用可塑性變形析出相提升高熵合金疲勞壽命！
這種有趣的特性被認(rèn)為會顯著影響力學(xué)行為，包括尚未報道的循環(huán)塑性變形行為。
在以上思路的啟發(fā)下，研究者設(shè)計了一種多組分B2析出相強(qiáng)化HEA，來改善結(jié)構(gòu)材料的疲勞性能。研究者發(fā)現(xiàn)，在~0.03%的低塑性應(yīng)變幅下，通過加入韌性可轉(zhuǎn)變的多組分B2相，設(shè)計合金的疲勞壽命至少是其他常規(guī)合金的4倍，表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗疲勞裂紋萌生能力。研究者通過使用最新的實時原位中子衍射和先進(jìn)的電子顯微鏡，以及晶體塑性建模和蒙特卡羅(MC)模擬，揭示了其底層機(jī)制。在高熵合金中觀察到位錯滑移、析出強(qiáng)化、變形孿晶和可逆馬氏體相變等多種循環(huán)變形機(jī)制。研究表明，其在低應(yīng)變幅下的疲勞性能的改善，即高的疲勞裂紋萌生抗力，歸因于B2強(qiáng)化相的高彈性、塑性變形能力和馬氏體相變。結(jié)果表明，將可變形的多組分金屬間析出相結(jié)合，并提供多種有益的循環(huán)變形機(jī)制的設(shè)計思想，為設(shè)計先進(jìn)的抗疲勞合金提供了新的方向。
圖1 所研究的HEA的相和微觀結(jié)構(gòu)信息。
圖2 Al0.5CoCrFeNi合金的拉伸和LCF結(jié)果。
圖3 實時原位中子衍射結(jié)果。
圖4 TEM和SEM表征了不同應(yīng)變幅下的結(jié)構(gòu)演變。
圖5 MC模擬結(jié)果。
圖6 所研究的HEA中的循環(huán)變形機(jī)制和微裂紋萌生行為示意圖。
綜上所述，研究者的工作為理解多組分B2析出強(qiáng)化HEA的循環(huán)變形機(jī)制提供了一個完整的思路，并通過引入可變形的多組分金屬間析出相來指導(dǎo)抗疲勞合金的設(shè)計，這些析出相可以通過調(diào)整HEAs成分和熱機(jī)械加工很容易實現(xiàn)。
展開 金屬所《JMST》封面：共晶高熵合金K-S界面主導(dǎo)的位錯滑移連續(xù)性及其強(qiáng)塑性
合金中大量存在的兩相界面必然對合金的塑性變形行為產(chǎn)生至關(guān)重要的作用，而合金的兩相界面特性及其對合金塑性變形的影響及作用機(jī)制尚未得到充分認(rèn)識。本文精細(xì)解析了合金兩相界面的取向關(guān)系、界面結(jié)構(gòu)，揭示了變形過程中兩相的變形機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)一方面合金中界面可以通過阻礙位錯運動來強(qiáng)化合金，為合金提供足夠強(qiáng)度，另一方面其界面原子尺度結(jié)構(gòu)特征及界面兩側(cè)兩相的滑移體系對稱性有利于合金中部分位錯穿越界面實現(xiàn)滑移傳遞，使合金具有良好的塑性。
背景介紹
高熵合金因其成分的多組元特性展現(xiàn)出很多獨特的性能，例如優(yōu)異的斷裂韌性、疲勞性能、抗腐蝕和抗輻照性能，其作為最有潛力的新一代結(jié)構(gòu)材料得到科研人員的廣泛關(guān)注。
高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)常表現(xiàn)為單相面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)或單相體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)。一般而言，單相FCC結(jié)構(gòu)的高熵合金塑性好但強(qiáng)度低，而單相BCC結(jié)構(gòu)的高熵合金強(qiáng)度高但延展性差，因此單相固溶體高熵合金很難平衡強(qiáng)度與塑性。本文合作者大連理工大學(xué)盧一平教授等人綜合FCC和BCC高熵合金的優(yōu)點，基于共晶成分點配比，設(shè)計了一種由韌性軟質(zhì)FCC相和脆性硬質(zhì)B2相交替片層組成的雙相共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1，實現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的優(yōu)良匹配。
本文亮點
共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中存在大量異質(zhì)相界面，而到目前為止，人們對合金中界面與位錯的相互作用及其對合金性能的影響尚不清楚。
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