《Scripta》：利用異構策略設計新型高性能金屬結構材料

2020-09-24 材料學網materials

微觀異構（heterogeneous microstructuring）是提升金屬結構材料協同強韌化水平的新途徑，典型異構包括：非均勻/異質層片、跨尺度晶粒微結構等。近期，中國科學院力學研究所先進材料力學行為研究團隊在異構動態力學行為和極端環境下使役行為等方面取得進展。


研究人員針對芯部為馬氏體鋼與表層為奧氏體不鏽鋼組成的三明治宏觀多層異構，利用應變精細控制的動態剪切試驗與微結構演化觀察，發現相比於傳統均質微結構，異構的動態力學性能匹配顯著提升(圖1a)；提出了相應動態剪切變形的微觀力學機制，即異構延緩了剪切帶在脆性區的萌生，限制了剪切帶從脆性區到韌性區的傳播 (圖1b)。同時，動態變形時，軟硬區界面處存在大應變梯度，形成的幾何必須位錯協調變形並產生了額外的加工硬化，軟硬區之間相應地發生了應變分配 (圖1c)。此外，研究人員進一步觀察到異構中剪切帶的萌生和傳播模式主要取決於軟硬區之間的硬度差異，刻畫了其相關性規律。這些研究結果為設計與調控具有優異動態力學性能的異構金屬材料奠定了科學基礎。


圖1 宏觀多層異構鋼的優異動態力學性能及其微觀機制(a) 高應變速率(5×104 s–1)剪切性能；(b) 剪切帶萌生/擴展行為；(c) 剪應變位錯協調機制


針對強韌性匹配優異的跨尺度晶粒異構中熵合金，進行了在廣溫域 (4.2 K–373 K)衝擊加載條件下的裂尖塑性區微結構演化和裂紋擴展行為研究。結果表明，異構在經受低溫衝擊變形時，其內部形成了高密度變形納米孿晶多級結構，孿晶層片平均間距10 nm，顯著提高應變硬化能力，抑制裂紋的萌生和非穩態擴展。進而，高密度多級孿晶結構誘導裂紋尖端的多重剪切帶分叉形成，耗散了變形能 (圖2b)。更為重要的是，研究發現了剪切帶的自增韌機制，即剪切帶內部和外部均形成了高密度的變形納米孿晶，不僅提高了剪切帶的應變硬化能力，還顯著阻擋並抑制剪切帶的擴展，從而增加了衝擊吸收功 (圖2c)，導致創紀錄高的夏比衝擊韌性，即異構中熵合金在液氦溫度 (4.2 K) 時衝擊功高達340 J，在液氮溫度 (77 K) 為380 J，室溫 (298 K) 為520 J (圖2c)。據此，該研究提出利用變形納米孿晶提高韌性的異構策略，為新型高性能金屬結構材料的設計提供理論依據。

圖2 跨尺度晶粒異構CrCoNi中熵合金的裂尖剪切帶韌化行為和優異衝擊韌性(a) 跨尺度晶粒異構; (b) 剪切帶–孿晶交互作用; (c) 衝擊韌性(AK)–測試溫度關係


相關研究結果發表於Scripta Materialia以及Materials Science and Engineering上。上述研究工作得到了中科院戰略性先導科技專項（B類）、科學技術部重點研發計劃納米專項以及國家自然科學基金的資助。

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