美国橡树岭国家实验室Acta Mater.：通过保形加工获得具有高应变硬化能力的梯度纳米层压中等熵合金

【引言】

结构材料通常可以通过引入高密度的内部界面（晶界和峦晶界等）实现增强，但是界面的引入也会带来一些非预期的性质。例如，与具有微米级晶粒（200 MPa）的样品相比，均匀的纳米晶体铜表现出高于650 MPa的高强度，但代价是拉伸延展性降低。因此，在高应力水平下增加材料的应变硬化能力是一个严峻挑战。开发具有界面密度梯度的材料是一种成功的设计策略，受自然的启发，人工梯度纳米结构已经在摩擦学、生物力学、断裂力学和纳米技术等学科中引起广泛的研究兴趣，而且通过这些结构实现了显著的性能提升。目前，具有界面密度梯度的材料可以通过表面机械磨损、表面机械研磨和热机械方法等加工策略进行制备。在上述这些方法中，硬车削是一种成熟的方法，可以应用于轴承钢以获得高于45洛氏硬度的表面硬度。通过该方法，可以容易地调整诸如转速和温度等加工参数以获得期望的界面和子结构梯度。

【成果简介】

近日，美国橡树岭国家实验室郭炜博士后与贝红斌研究员合作，利用硬车削方法使NiCrCo中等熵合金（MEA）获得微观结构界面梯度，其中NiCrCo在更广泛的过渡金属元素组成的系列中表现出最佳的低温强度和断裂韧性的组合。研究表明，在材料进行低温硬车削之后，可以观察到纳米层状梯度结构，其是由在纳米级晶粒内部的密集的纳米层和hcp薄片组成。而且，77K硬车削后的结构梯度合金在2%初始应变下表现出高屈服应力（1.4GPa）和高应变硬化率（13.3）。该成果以题为" Shape-preserving machining produces gradient nanolaminate medium entropy alloys with high strain hardening capability "发表在国际著名期刊Acta Materialia上。

【图文导读】

图1 77K硬车削加工结构梯度MEA的加工程序和微观结构

(a) 合金加工程序示意图；

(b) 横截面明场TEM图像揭示了变形表面区域的梯度结构；

(c) 低温硬车削后的梯度纳米结构的示意图；

(d) 显示纳米晶粒结构的明场TEM图像；

(e) 材料最顶部50 μm表面层的晶粒尺寸分布；

(f) 显示后续层中较粗糙晶粒结构的明场TEM图像；

(g, h) 沿[110] fcc区轴单个纳米晶粒内部结构层次的高分辨率滤波STEM图像；

(i) 在单个纳米颗粒内沿着[110] fcc区轴的纳米叠层的原子堆积示意图。

图2 室温硬车削MEA的梯度微观结构

(a) 显示变形表面梯度结构的横截面明场TEM图像；

(b) 纳米晶粒层的明场TEM图像；

(c) 材料最顶部50 μm表面层中的晶粒尺寸分布；

(d) 显示单个颗粒内高密度纳米孪晶的STEM图像；

(e, f) 纳米孪晶的明场TEM图像；

(g) 显示纳米晶层中纳米层叠堆结构的示意图。

图3 低温硬车削后MEA样品纳米晶表面的APT分析

(a) Ni、Cr和Co原子的APT元素图；

(b) 构成元素的频率分布分析；

(c) 显示纳米孪晶结构的3 nm切片的APT体积；

(d) (c)中目标区域的一维浓度分析。

图4 NiCrCo MEA纳米叠层在纳米压痕试验中的典型载荷-位移曲线

图5 不同加工条件下MEA的微柱压缩和往复滑动磨损试验

(a-c) 微压缩试验后微柱的表面形态（黄色箭头标记滑动痕迹）；

(d) 微柱压缩的工程应力-应变曲线；

(e) 应变硬化率与塑性应变的关系图；

(f) 在300 K和70 K下进行平坦的往复滑动磨损试验后MEA表面的磨损深度。

图6 硬车削MEA的纳米孪晶的厚度和间隔比较

(a) 不同温度下硬车削MEA的纳米孪晶的厚度比较；

(b) 不同温度下硬车削MEA的纳米孪晶的间隔比较。

图7 残余真实应力与塑性应变和应变硬化率的关系

(a) 残余真实应力与塑性应变的关系曲线；

(b) 应变硬化率与残余真实应力的函数关系。

图8 NiCrCo梯度纳米叠层的高分辨率透射电子显微照片

图9 通过DFT和ANNNI模拟计算的纳米结构的相对热力学稳定性

【小结】

本文中，作者在室温和低温下通过硬车削方法加工NiCoCr MEA，并结合APT、TEM探测和纳米力学实验结果，揭示了在合金表面形成的原子级分层结构的纳米叠层梯度。研究发现，分层结构可以通过剪切应变速率和热条件来控制，这些参数可以通过调整加工参数（例如转速和温度）直接控制。这种纳米级表面层次结合了刚性hcp区域、柔性fcc基质和高密度内部界面的优点，从而导致高屈服应力和变形期间的高应变硬化。鉴于这些优异的性能，这种简单有效的加工技术具有广泛的潜力，有望用于合金的高通量纳米结构设计以及大规模制造。

文献链接：Shape-preserving machining produces gradient nanolaminate medium entropy alloys with high strain hardening capability (Acta Mater. 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.03.024)

【团队介绍】

郭炜博士在2015年至2018年间在橡树岭国家实验室从事博士后研究，现在美国铁姆肯公司任主任材料工程师，从事轴承材料热处理及合金设计工作。

贝红斌博士自2003年自橡树岭国家实验室工作，任资深研究员，现任浙江大学教授，从事极端条件下的新材料研发工作。

团队在该领域工作汇总：

1. Guo, Y.Meng, X. Zhang, V. Bedekar, H.Bei, S.Hyde, R.Shivpuri, J. Zuo, J.D. Poplawsky. “Extremely hard amorphous-crystalline steel structure produced by cementite amorphization”, Acta Materialia, 2018, 152: 107-118.

2. Wu, W. Guo, K. Jin, J.D. Poplawsky, Y. Gao*, H. Bei*. “Enhanced strength and ductility of a tungsten-doped CoCrNi medium-entropy alloy”, Journal of Materials Research, 2018, 1-9.

3. Z. Wu, H. Bei, G.M. Pharr, E.P. George, Temperature dependence of the mechanical properties of equiatomic solid solution alloys with face-centered cubic crystal structures, Acta Materialia, 2014, 81, 428-441.

【相关优质文献推荐】

1. Yang, D. Yan, F. Yuan, P. Jiang, E. Ma, X. Wu, Dynamically reinforced heterogeneous grain structure prolongs ductility in a medium-entropy alloy with gigapascal yield strength, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115, 7224-7229.

2. Ma, F. Yuan, M. Yang, P. Jiang, E. Ma, X. Wu, Dynamic shear deformation of a CrCoNi medium-entropy alloy with heterogeneous grain structures, Acta Materialia, 2018,  148, 407-418.

3. Cheng, H. Zhou, Q. Lu, H. Gao, L. Lu, Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals, Science, 2018, 362(6414), eaau1925.

本文由组biotech供稿。

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