【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】金屬材料的“脆性”是工程應(yīng)用的“大敵”。在鋼鐵、高溫合金、鋁合金等傳統(tǒng)材料中，不合理的熱處理往往誘發(fā)材料脆化，如回火脆性和中溫時效脆性，其典型特征是在狹窄溫區(qū)內(nèi)韌性顯著下降，嚴重威脅工程結(jié)構(gòu)的安全服役。
傳統(tǒng)合金的中溫(回火)脆性研究已持續(xù)百年，其機制主要歸因于晶界弱化。經(jīng)典理論認為，雜質(zhì)元素(如S、Bi、P、As等)在晶界偏聚，以及粗大晶界析出相的形成，顯著降低了晶界內(nèi)聚力，使晶界成為裂紋萌生與擴展的“薄弱環(huán)節(jié)”。
近年來，高熵合金(多主元合金)因其獨特的成分和性能備受關(guān)注。一個重要問題是，其復雜的成分和特殊的熱動力學行為是否會引發(fā)類似的甚至更復雜的脆化行為？揭示其熱響應(yīng)規(guī)律和機制，對高熵合金的熱處理工藝優(yōu)化和工程應(yīng)用具有重要意義。
近日，中國科學院金屬研究所李殿中院士和孫明月研究員團隊在高熵合金體系中發(fā)現(xiàn)了類似鋼中“回火脆性”的“韌-脆-韌”轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，并厘清高熵合金中溫脆化的成因并非傳統(tǒng)的晶界效應(yīng)，而是源自于局部有序結(jié)構(gòu)和相界的動態(tài)演變，拓展了對傳統(tǒng)回火脆性經(jīng)典理論的認知。相關(guān)成果以“Aging-Induced Ductile-Brittle-Ductile Transition in High-Entropy Alloys and its Implications”為題，發(fā)表于《先進科學》(Advanced Science)雜志上。孫明月研究員和謝碧君博士為論文的共同通訊作者，博士研究生代乾寧為第一作者。
研究團隊結(jié)合多尺度表征、第一性原理計算及深入分析，系統(tǒng)揭示了高熵合金的“韌-脆-韌”轉(zhuǎn)變機制。1)L12過有序+鋸齒狀相界的協(xié)同脆化：研究表明，中溫時效誘導L12發(fā)生過有序化，同時形成鋸齒狀的B2/FCC(L12)相界。一方面，L12過有序?qū)е赂叨染钟蚧钠矫婊茙В涣硪环矫妫忼X狀的非共格相界嚴重阻礙位錯跨越界面滑移，導致界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中。當高度局域化的平面滑移帶沖擊這些滑移傳遞不利的相界面時，局部應(yīng)力迅速超過B2相的斷裂極限，誘發(fā)脆性斷裂。2)L12有序度降低+韌性過渡界面的協(xié)同韌化：在非脆性溫度區(qū)間時效時，高擴散能力使得L12有序度降低，激活多滑移與交滑移，顯著提升合金的均勻變形能力。更關(guān)鍵的是，鋸齒狀界面轉(zhuǎn)變?yōu)槠交缑妫⒃贐2/FCC(L12)相界附近形成富Cr析出相缺失區(qū)(CRPs-free zone)。該區(qū)域內(nèi)的富Cr相(CRPs)在熱作用下溶解消失，形成韌性過渡區(qū)，使B2相邊緣與FCC(L12)基體的變形能力更為匹配，有效緩解界面應(yīng)力集中。從而顯著抑制局域變形和脆性開裂傾向，展現(xiàn)出優(yōu)異的強塑性。
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中國科學院等項目的資助。
圖1. 時效高熵合金力學性能及相界結(jié)構(gòu)
圖2. 高熵合金“韌-脆-韌”轉(zhuǎn)變不同階段的L12 domain結(jié)構(gòu)
圖3. 高熵合金局部化學有序的APT表征及第一性原理計算
圖4. 高熵合金變形機制和斷裂行為
圖5. 高熵合金局部化學有序-相界協(xié)同機制
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