近日，上海大學(xué)材料學(xué)院博士研究生賈岳飛在輕質(zhì)高熵合金領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，在《Advanced Science》發(fā)表題為“Efficient Coarse-grained Superplasticity of a Gigapascal Lightweight Refractory Medium Entropy Alloy”的研究論文(IF=17.5)。材料學(xué)院賈岳飛博士生為該文第一作者，孫康博士為通訊作者。
輕質(zhì)高熵材料作為一類新興的結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)出強(qiáng)度高、密度低、高溫性能優(yōu)異等特點(diǎn)，有潛力成為下一代航空結(jié)構(gòu)材料。然而，大多數(shù)輕質(zhì)高熵材料，在室溫下的塑性變形能力十分有限，絕大多數(shù)比較脆，難以加工成復(fù)雜形狀的零件，這嚴(yán)重限制了輕質(zhì)高熵合金的廣泛應(yīng)用。
超塑性是一種奇特的現(xiàn)象。具有超塑性的合金能像飴糖一樣伸長(zhǎng)3倍以上，既不出現(xiàn)縮頸，也不會(huì)斷裂。超塑性合金可以用來(lái)生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀的高質(zhì)量部件，應(yīng)用于航空航天、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。然而，目前大多數(shù)超塑性合金缺乏足夠的強(qiáng)度，并且有很長(zhǎng)的超塑性變形期，限制了其廣泛的應(yīng)用。一些由超細(xì)/納米結(jié)構(gòu)晶粒組成的合金可以實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變率的超塑性。然而，獲得細(xì)小/納米晶粒需要額外的晶粒細(xì)化過(guò)程，一般都很復(fù)雜且成本較高，如高壓扭轉(zhuǎn)、摩擦攪拌加工或等通道擠壓等，這大大限制了這些材料的經(jīng)濟(jì)可行性。此外，為避免超細(xì)晶在變形過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大，成型溫度要足夠低，這又與高應(yīng)變速率需要更高的變形溫度相矛盾。
為解決上述問(wèn)題，該研究團(tuán)隊(duì)在粗晶粒和高強(qiáng)度的輕質(zhì)難熔高熵合金中實(shí)現(xiàn)了鮮有的高應(yīng)變速率粗晶超塑性，為輕質(zhì)中、高熵合金的復(fù)雜成型及廣泛應(yīng)用提供了重要的研究基礎(chǔ)。該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)粗晶超塑性變形過(guò)程中微觀組織演變進(jìn)行系統(tǒng)的分析，提出了位錯(cuò)滑移誘發(fā)晶界動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，進(jìn)而激發(fā)晶界滑移，這樣的連續(xù)觸發(fā)的“多米諾”粗晶超塑性新機(jī)制。這種新機(jī)制可以進(jìn)一步指導(dǎo)新型高強(qiáng)度、粗晶超塑性材料的反向設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。該研究因?yàn)椴恍枰~外的晶粒細(xì)化過(guò)程，直接粗晶實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變速率超塑性成型，為高效的超塑性成形開(kāi)辟了新道路，并且將粗晶超塑性材料應(yīng)用拓寬到輕質(zhì)-高強(qiáng)度領(lǐng)域。
總之，目前的研究發(fā)現(xiàn)，在千兆帕級(jí)LRMEA中實(shí)現(xiàn)了罕見(jiàn)的高應(yīng)變率和粗粒度超塑性(>440%)，其微觀結(jié)構(gòu)是嵌入BCC基質(zhì)中的超細(xì)顆粒。發(fā)現(xiàn)連續(xù)觸發(fā)的“多米諾骨牌”超塑性機(jī)制闡明了超塑性變形行為。與傳統(tǒng)以溶質(zhì)阻力蠕變?yōu)橹鞯拇志Ш辖鹱冃尾煌?，這種“多米諾骨牌”粗晶超塑性變形機(jī)理是一種多重變形機(jī)理，包括一系列位錯(cuò)滑動(dòng)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和晶界滑動(dòng)，可以像多米諾骨牌一樣連續(xù)觸發(fā)。微觀結(jié)構(gòu)演化分析的詳細(xì)結(jié)果表明，在低試樣伸長(zhǎng)率下，粗晶粒內(nèi)部存在DS，在中等伸長(zhǎng)率下，DRX在粗晶邊界區(qū)域產(chǎn)生細(xì)晶粒，超塑性伸長(zhǎng)率下細(xì)晶顆粒中產(chǎn)生GBS。在這種粗粒超塑性過(guò)程中，超細(xì)顆粒在產(chǎn)生足以克服溶質(zhì)拖曳效應(yīng)的高變形應(yīng)力、促進(jìn)形成細(xì)晶區(qū)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和增強(qiáng)LRMEA強(qiáng)度方面發(fā)揮著重要作用。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)載人航天工程的資助。
圖1 HC-LRMEA樣品的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。a) 具有重要生態(tài)和生物意義的可持續(xù)發(fā)展委員會(huì)IPF地圖;b) XRD圖譜;c)根據(jù)三種不同的IPF圖計(jì)算出的粒度分布;d) 瘋牛病圖像顯示顆粒內(nèi)的不同顆粒;e) 顯示階相顆粒形態(tài)的STEM圖像;f) STEM-EDS 線譜圖顯示了跨 BCC 基質(zhì)和階相顆粒的元素分布;g) 沿 <110> 方向的 HRTEM 和 BCC 矩陣和階次相位的相應(yīng) FFT 圖像;h) 室溫拉伸工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線;i) 先前在室溫下報(bào)道的延展性BCC、FCC、HCP、BBC + HCP、FCC+BCC HEA的屈服強(qiáng)度與密度圖
圖2 HC-LRMEA樣品的超塑性行為。A)拉伸下得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線在973、1073和1173 Kand溫度下加載，應(yīng)變速率為10-3和10-2s-1;b)在溫度為973、1073和1173 K，應(yīng)變速率為10-2 s-1條件下斷裂的典型試樣圖像;c)在1173 K條件下，以5×10-4、1×10-3、5×10-3和1×10-2s-1 4種不同應(yīng)變率進(jìn)行應(yīng)變率跳躍試驗(yàn)，得到應(yīng)力-應(yīng)變、o-g、曲線和應(yīng)變率敏感性(m)值- 1/m為應(yīng)力指數(shù);D)粗晶粒超塑性變形后試樣的硬度分布;(d)中的插圖說(shuō)明了硬度測(cè)試和硬度壓痕的形貌;E)粗晶粒超塑性鋁合金在高應(yīng)變率(10- 2s -1)下的屈服強(qiáng)度與超塑性延伸率粗粒度鎂合金,鈮合金，[73]粗晶粒超塑性金屬間化合物和粗晶粒超塑性鈦合金。
圖3 在1173 Kand應(yīng)變速率為10-2s-1的條件下，形變?cè)嚇拥慕M織演化分別為I階段(εs 2096)、Il階段(εs 20096)和III階段(s 40096)。a,d,g) IPF圖，其中插圖表示晶體方向;b,e,h)與(a)， (d)， (g)中IPF映射對(duì)應(yīng)的KAM映射。c)階段l的TEM-BF圖像;f) (d)的DRX映射;i) (h)中所選區(qū)域?qū)?yīng)的SEM圖像，顯示與晶界滑動(dòng)(GBS)相關(guān)的區(qū)域和粉色箭頭標(biāo)記的空腔;j)超塑性變形后粗晶界的SEM圖像;k) TEM-BF圖像顯示在富zr粒子邊界處有許多納米相;I)顯示富zr粒子和條帶納米相的HRTEM圖像;A區(qū)位于富zr粒子中;區(qū)域B位于矩陣中;區(qū)域“C”位于色帶納米相。
圖4 (a-e)當(dāng)拉伸應(yīng)變?yōu)?、20%、100、150%和220%時(shí)，粗粒HC-LRMEA試樣觀察到的變形過(guò)程EBSD表征和示意圖:1個(gè)IPF圖;2張KAM地圖;3個(gè)說(shuō)明其作用變形機(jī)制的示意圖。f)粗晶粒區(qū)亞晶粒和細(xì)DRX晶粒帶示意圖;G)粗晶粒變形機(jī)理示意圖;h)顯示精細(xì)DRX晶粒帶中晶界滑動(dòng)的示意圖。
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