德国马克斯-普朗克研究所Adv. Mater.:通过晶格扭曲设计超强中熵单相合金

【引言】

实现材料在强度和延展性中的平衡是先进材料科学和工程领域的巨大挑战。很多研究通过探索潜在机理和控制微观结构，来提高材料在强度和延展性之间的平衡。屈服应力是限制材料最大应力的重要因素。为了提高屈服应力，传统合金通常依赖于复杂而昂贵的热机械加工路线，希望通过加工在材料中引入高密度的晶格缺陷来有效地增加材料强度。单相金属材料在重结晶态和塑性屈服初期拥有很少的缺陷，具有不充分的晶格摩擦，因而流动应力较小。多种基础元素的固体混合物（高熵或中熵合金）为材料的设计提供了一种很有前景的基础，因为每一种单一的原子都可以创造独特的局部晶格扭曲和应力。

【成果简介】

近日，德国马克斯-普朗克研究所发现一种简单的VCoNi等原子中熵合金，拥有近1 GPa的屈服应力和很好的延展性，大大超过传统合金。作者认为可以通过晶格扭曲来提高材料的屈服应力，以及对结晶大小的敏感度。同时，错位调控的塑性可以通过形成纳米大小的错位微结构来实现材料强度与延展性的平衡。这些结果证明晶格扭曲是实现超强材料结构设计的重要因素。该成果以题为”Ultrastrong Medium-Entropy Single-Phase Alloys Designed via Severe Lattice Distortion”发表在Adv. Mater.上

【图文导读】

Figure 1.VCoNi中熵合金微结构

 (a).VCoNi合金在900℃退火60分钟的点子背散射衍射反极图

(b).TEM图

(c-e).能量色散图

(f).3D原子探针X断层成像

(g).二维离子密度图

(h).组份构成

(i).本体组分分析

Figure 2.VCoNi合金与其他几种高强度合金的拉伸性能对比

 (a).VCoNi合金与CrCoNi合金的应力-应变曲线

(b).VCoNi合金中，屈服应力与平均晶粒尺寸之间的关系

(c).VCoNi合金与其他高强度合金的拉伸性能对比

Figure 3.局部晶格扭曲的影响的计算结果

(a).VCoNi合金和CrCoNi合金中原子平均体积的变化

(b).VCoNi合金和CrCoNi合金中每一个元素对的第一最近距离

(c).多元素合金中的均方原子位移

图4.VCoNi合金的形变机理

 (a-c).40%形变的VCoNi合金在900℃退火60分钟的相关表征

(d).c图中对应的方向偏差图

(e-g).不同形变程度样品的电子通道对比成像分析

【小结】

在这个工作中，作者发现一种简单的VCoNi中熵合金具有接近1 GPa的屈服应力和很好的延展性，这些都是传统合金所不具备的性能。研究认为晶格扭曲可以合金的屈服应力和对晶粒的敏感性。同时，位错调控的塑性可以通过产生纳米尺寸的位错微结构来增强强度和延展性。晶格扭曲是设计超强材料的关键点。

Ultrastrong Medium-Entropy Single-Phase Alloys Designed via Severe Lattice Distortion

(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201807142)

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