高熵合金是潜在的冲击防护领域的新宠
2019-12-20 10:22:05
作者：非晶中国 来源：非晶中国
图片来源：非晶中国大数据库
极端条件存在于航空航天，核反应堆，国防军工等重要领域，不断对材料的品质提出更高的要求。要求材料服役在诸如高温、低温、高速碰撞、强辐照、强腐蚀等极端环境中，能够保持足够的强度和韧性、稳定性和完整性等。目前能够在这些极端工况下服役的传统材料难以实现材料的综合性目标。此外，目前服役材料的性能也有待进一步提高。
高熵合金的应运而生，不仅在材料科学领域开拓了更广阔的认知空间，单从相结构形成、位错动力学方面就给了我们新的认知挑战；而且在材料性能方面，尤其是复杂条件下的综合性能方面给出了巨大的探索空间。从青铜时期的一两种元素、稀释混合，到不锈钢、超合金、非晶合金的多组元、高浓度混合，高熵合金的高浓度组元似乎是合金发展的主流方向，其成分开发需要不断拓展，潜在的应用性能更需要不断挖掘。然而，目前已报到的性能主要集中在高温、低温、准静态服役条件下，对其冲击性能的表征，冲击下变形机制的探索是不足的，而高熵合金在冲击防护领域的工作也需要不断推进和深化。
近日，太原理工大研究人员基于分离式霍普金森拉杆实验装置，研究了典型多组元高浓度的面心立方高熵合金的冲击拉伸行为，发现了强度和塑性同时增强现象，即强度明显提升的同时，韧性也有增加，见图1。这代表了这一类高熵合金有很强的冲击防护领域的应用前景。
基于此发现，研究人员调研了传统材料在冲击领域的性能报道，从高熵合金显著的特点----多组元高浓缩固溶体出发，提出化学短程有序这一在多组元高浓缩固溶体中较普遍存在的原子排布特征在材料热激活变形中起到重要的作用，另外这一化学短程有序在位错的声子曳引方面也起到一定作用，见图1。结合此推论可以较好地解释广泛的材料群在强度的应变率敏感研究中的实验结果，见图3。
同时，研究人员通过微观结构表征，发现高速冲击与低温在合金变形中有接近的微结构演化特征，例如高速冲击下的孪晶含量更高、更加密集，位错特征呈现平面滑移特征；而准静态下主要是波状滑移的位错胞特征，见图2。这些显著微结构差异决定了合金在加工硬化方面的差异。基于此微结构差异特征，研究人员通过将位错密度、孪晶含量等微结构信息作为内禀量，通过模型建立成功地描述了在宽泛应变率下性能与微结构演化之间的关系，见图2。
此外，研究人员基于较全面的文献分析，给出低温、高应变率下合金韧性提升的建议：即“适度孪晶/相变”原则，见图3。孪晶、相变可以极大地提升加工硬化能力，但如果在高速或者低温变形下孪晶、相变增长过快会导致材料的过早破坏，而在高速加载下由于绝热温升引起的孪晶与相变被抑制反而使加工硬化变弱。作者在文章中也分析给出高熵合金能胜任这一“适度孪晶原则”的原因在于短程有序对孪晶过快增长的抑制作用，以及已经被报道的高熵合金的抗绝热软化的特点。
综上，该项工作发现了高熵合金在极端工况下服役的另一个方面---冲击防护领域的优异性能，并提出多组元高浓缩导致的化学短程有序在合金热激活与声子曳引变形机制中的关键作用。并且结合微观机理分析给出冲击、低温等工况下服役材料设计的初步指导。
相关研究成果近日发表于材料力学期刊International Journal of Plasticity, （Int. J. Plast. 124（2020）， 226-246）。 第一作者为博士生张团卫，通讯作者为王志华教授和乔珺威教授。文章链接：Simultaneous enhancement of strength and ductility in a NiCoCrFe high-entropy alloy upon dynamic tension: Micromechanism and constitutive modeling.“ International Journal of Plasticity 124（2020）， 226-246.https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.08.013
图1. NiCoCrFe高熵合金在准静态（10-3/s）和动态（103/s）拉伸下的性能特征：（a） 在两种条件下的真应力应变曲线；（b）在不同应变下的应变率敏感度，可以发现高熵合金拥有高的应变率敏感度；（c）和（d）分别代表热激活模型结合声子曳引效应在宽泛温度和应变率范围内对屈服强度变化的预测。
图2. NiCoCrFe高熵合金在准静态（10-3/s）和动态（103/s）拉伸下的主要微结构特征及结合微结构信息的模型对宽泛应变率下加工硬化行为的预测；（a） 和 （b） 分别为准静态和动态下的微结构（位错胞和孪晶）特征；（c）和（d）为考虑微结构信息的模型对加工硬化的预测。
图3. （a） 和 （b） 分别为在广泛的材料中存在的由应变率变化（10?3到103 /s）引起的屈服强度变化、极限强度变化与最大应变变化的汇总图，由图可知高熵合金拥有显著的强度和韧性同时提高的正应变率效应；（c）为结合文献调研，初步提出的低温和冲击条件下韧性增加的”适度孪晶/相变“原则。
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