太原理工《Materials Design》:新型中熵合金,突破強度和塑性矛盾!

  

編輯推薦：同時提高材料的強韌性一直是材料科學家追求的目標，本文通過添加Si設計了新穎的CrCoNi中熵合金，強度和延展性獲得大幅度提升，抗拉強度960MPa，均勻伸長率92%，這主要歸因於Si的添加會產生較低的堆垛層錯能，並誘發FCC-HCP相變。

強韌性材料的開發一直是研究人員的重要目標之一，其在航空航天、航海造船、汽車等行業均具有重要作用。現有的主要挑戰是同時提高延展性與強度，中/高熵合金（MEAs/HEA）也存在相同的問題。現階段在增強MEAs/HEA的性能方面已經做出了巨大的努力，發現適當添加非金屬元素（如Si，C和B）通常在改善微觀結構和機械性能方面起重要作用，可以達到優異的機械性能。而關於添加Si對MEAs/HEA性能影響的研究主要集中在耐磨性、抗氧化性、硬度、磁性以及壓縮機械性能上，對含Si的MEAs/HEA拉伸性能的研究很少，Si對性能的影響機制尚不明確。

 

太原理工大學等單位的研究人員通過在CrCoNiMEA中添加Si，設計了新穎的CrCoNiSix（x=0.1，0.2，0.3）MEA。與未添加Si的MEA相比，添加0.3%Si的MEA強度和延展性獲得大幅度提升，抗拉強度從790MPa增加至960MPa，均勻伸長率由58%增加至92%。相關論文以題為「Novel Si-added CrCoNi medium entropy alloys achieving the breakthrough of strength-ductility trade-off」發表在Materials and Design。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109202

 

在Ar氣氛下採用電弧熔煉製備CrCoNi和CrCoNiSix（x=0.1、0.2、0.3；分別由Si0.1，Si0.2，Si0.3表示）。澆鑄成板狀，完全冷卻後進行1100℃×5h的均勻化處理，再進行冷軋（壓下率70%），最後進行900℃×1h的再結晶退火（水淬）。

研究發現CrCoNiSix（x=0.1，0.2，0.3）MEA均發生完全再結晶，Si含量的增加促進了試樣加熱時再結晶速率，並加速了晶粒的生長。與CoCrNi MEA相比，CrCoNiSix（x=0.1、0.2、0.3）MEA的抗拉強度分別從790MPa增加到856MPa，926MPa和960MPa，均勻伸長率分別為75%、86%和92%。位錯和孿晶是CrCoNi MEA在室溫和準靜態載荷下的主要塑性變形機制。添加Si的MEA表現出良好的位錯結構和形變孿晶，並且在室溫下會發生形變誘導的FCC-HCP相變。

 

圖1 CrCoNiSix（x=0、0.1、0.2、0.3）MEA的初始微觀結構：(a-d) EBSD IPFx圖；(e-h) EBSD取向角分布；(i) 晶粒尺寸比較；(j) CrCoNiSi0.3 MEA的TEM顯微照片

圖2 CrCoNiSix（x=0、0.1、0.2、0.3）MEA的機械性能

圖3 CrCoNi和CrCoNiSi0.3 MEA在工程應變為30%（真實應變為26%）和斷裂應變（CrCoNi和CrCoNiSi0.3的真實應變分別為45.7%和65%）時的EBSD-IQ與KAM圖

 

圖4 TEM顯微照片顯示了在斷裂應變下（a-c）CrCoNi，（d-f）CrCoNiSi0.2和（g-i）CrCoNiSi0.3MEA的不同特性（真實應變值分別為45.7%，62%和65%）

圖5 （a,b）HRTEM圖像顯示斷裂後CrCoNiSi0.2和CrCoNiSi0.3MEA的形變孿晶（DT）和HCP結構；（c,e）對應的SAED模式，（d,f）對應的IFFT圖像

圖6 在30%工程應變（26%真實應變）下（a-c）CrCoNiSi0.2和（d-f）CrCoNiSi0.3MEA的TEM顯微照片

 

總的來說，本研究通過向CrCoNi MEA中添加Si，開發了具有優異機械性能的新型CrCoNiSix（x=0.1，0.2，0.3）MEA。Si的添加會產生較低的堆垛層錯能（SFE），並誘發FCC-HCP結構的形變誘導相變，在塑性變形過程中大大改善合金的加工硬化。本文闡明了Si對MEA強度和延展性的影響，設計出強度延展性更高的合金，擴大了MEA可能的應用範圍。（文：破風）

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