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纳米晶体-非晶双相高熵合金实现近理论强度和大塑性形变
发布时间：2020-09-02     作者：harry   分享到：
高熵合金和金属玻璃都基于多组元合金设计理念。高熵合金通常是单相或多相晶态固溶体，其一般具备较高的延展性。具有非晶结构的金属玻璃具备高强度和较差的延展性。德国马普钢铁研究所的吴戈博士、逯文君博士、Dierk Raabe教授、中南大学的李志明教授等与香港城市大学的吕坚教授合作研究，充分发挥高熵合金与金属玻璃的各自优势，开发出了一种全新的纳米晶体-非晶双相高熵合金。在他们先前的工作中发现利用fcc-hcp双相高熵合金的相变诱发塑性可实现高强度和大延展性（Li, Z., Pradeep, K. G., Deng, Y., Raabe, D. & Tasan, C. C. Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength–ductility trade-off. Nature 534, 227-230 (2016).）；利用纳米尺寸非晶相包裹纳米晶的双相结构设计可实现近理论强度（Wu, G., Chan, K.-C., Zhu, L., Sun, L. & Lu, J. Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys. Nature 545, 80-83 (2017)）。基于此，研究人员通过调控高熵晶体相的层错能来形成超高密度纳米孪晶；同时调控玻璃相的形成能力形成包裹晶体相的非晶单元，开发出了纳米晶体-非晶双相高熵合金，其具备近理论屈服强度（G/24，G为材料的剪切模量）和超过45%应变的压缩均匀塑性形变。非晶相的均匀流变行为与晶体相内的位错运动协同作用，实现了这两相的共同均匀塑性变形。这种纳米晶体-非晶双相高熵合金设计理念为超高强高韧**材料的开发提供了一种全新方法。


相关成果以“Crystal-Glass High-Entropy Nanocomposites with Near Theoretical Compressive Strength and Large Formability”为题发表在Advanced Materials。论文作者为吴戈博士。通讯作者为逯文君博士、李志明教授和Dierk Raabe教授。其他作者还包括Shanoob Balachandran博士、Baptiste Gault博士、夏文真博士、刘畅博士、饶梓元博士生、韦业博士生、刘少飞博士生、吕坚教授、Michael Herbig博士和Gerhard Dehm教授。
文章超链接：
//doi.org/10.1002/adma.202002619
成果速读
被广软件应用于加强晶态镁碳素钢的**策咯涵盖运用晶态通病譬如**相或各种相关晶间相、晶界或孪晶界、固溶体中的异质原子团等。这类加强长效措施具体系统制定操控拓展性承载着单元尺寸（位错）的产生和附加值。在这类加强技巧中，共格奈米颗粒物沉淀与相变产生拓展性被印证还会直接上升镁碳素钢的标准和拓展性，还有就是而能在高熵镁碳素钢中足以变现。高熵镁碳素钢为近二十年来运用的一个多个元镁碳素钢制定来设计创意，普通为单相电或多相晶态固溶体，拥有较庞杂的结构来设计力学特点。晶态固溶体的要素使其发生形变长效措施为位错滑移、孪生或相变，因其普通拥有高拓展性。同时，实现网站优化材质和结构来设计制定，高熵镁碳素钢的标准还会得出急剧上升，在一些症状下恐怕还会不超传统意义的晶态镁碳素钢。其实这样一来， 高熵镁碳素钢的切剪标准还没有完全能不超G/100，不远不近小于G/10的系统论**。
耐热铝合金钢板材有机磨砂玻离窗为20时代60时期转化的另一个说的是种几组元耐热铝合金钢设计的概念的背景。其非晶构造特征不拥有着滑移平台和多晶体标准中的位错，其拥有着**的抗拉抗拉强度G/37。从而，耐热铝合金钢板材有机磨砂玻离窗在恒温下的塑型和压扁被**的局限于抗拉带中，从而恰恰不拥有着宏观角度延伸性。在耐热铝合金钢板材有机磨砂玻离窗中转化诸如此类类液态氨区或软区等异质构造特征会让抗拉带的增值率在塑型和压扁的过程发生了偏折和减轻，从而可极大增强耐热铝合金钢板材有机磨砂玻离窗的延伸性。值得一看注意事项的是，当耐热铝合金钢板材有机磨砂玻离窗的图片尺寸小于等于100 nm时，图片尺寸相应使其拥有着竖直流变犯罪做法。基本概念耐热铝合金钢板材有机磨砂玻离窗的本征流变犯罪做法和近期来的高熵耐热铝合金钢设计的概念的优劣势，设计人工展示出一个多种新型的耐热铝合金钢设计的概念的背景，即基本概念奈米非晶态耐热铝合金钢板材有机磨砂玻离窗相和奈米晶态高熵相来变成其中一种新型的拥有着**测力功效的板材。在在高熵Cr-Fe-Co-Ni标准中转化少量有机磨砂玻离窗变成种元素以高达低层错能的奈米晶相与耐热铝合金钢板材有机磨砂玻离窗相共处而有赖于满足。
这般当下镁合金与nm架构构思做法往往还能够使可塑性最号的资料拥有近理论知识的强度，另外还能够进一歩带来有运用價值的另外性能方面。假如最号的软磁体能方面和**的热安全性（见原稿補充资料）。那么，这般资料拥有在高承载能力微建筑机电程序和柔性fpc线路板磁体电子元器件中的运用发展潜力。
图文导读
图1. 纳米晶体-非晶双相高熵合金的结构和成分。
a) **平视和侧视TEM图。插图为侧视TEM样品的选区电子衍射（SAED）花样。SAED花样上的圆环特征显示纳米柱状晶具有较弱的晶体织构。晶体结构被定标为fcc，红色虚线圆标出了其相应的{1 1 1}, {2 0 0}, {2 2 0}和{3 1 1}晶面；
b) 低倍平视TEM图；
c) 从3D重构的APT数据（左）中截取2 nm厚的薄片（右），显示Cr在晶粒-晶粒间界面的一些区域有富集。这些Cr富集的区域由12 at. nm-3的Cr等浓度面显示；
d) 平视ABF-STEM图呈现在三叉点和某类晶界处出現~1 nm厚的非晶相（较亮区城）；
e) 在(c)图箭头符号一样位置的1D材料图；
f) 从(c)图示抓取的1 nm厚平视薄片的2D Cr有机废气浓度规划图，表现出富Cr非晶相的规划；
g) 区别表明22.7 at%并且18.3 at% Fe的等质量浓度面数字代表出的结晶相和钢化玻璃相。
图2. 納米硫化锌-非晶双相高熵耐热合金的硫化锌结构设计。
a) **fcc柱状晶的截面LAADF-STEM图显示出1.0 ×109 m-1的超高密度纳米孪晶；
b) 其余的含五重微米孪晶的柱状图晶。六个孪晶界区分用TB1、TB2、TB3、TB4还有TB5表明；
c, d) 在(a)和(b)虚线框内的扩大高倍LAADF-STEM图，出现出乘以2 nm厚的孪晶/层错/基体的片层设计。当中，分子的堆垛次序由“A”，“B”和“C”标志。孪晶界和层错主要由网红虚线和暗蓝色实线标志。
图3. 纳米晶体-非晶双相高熵合金的力学性能。
a) 晶状体-非晶CrCoNi-Fe-Si-B高熵分手后复合铝合金材料材料材料、納米晶CrCoNi-Fe-Si-B铝合金材料材料材料、納米晶CrCoNi铝合金材料材料材料同时单晶体CrCoNi铝合金材料材料材料的减小过程中弯曲应力-应力拟合曲线。毫米柱试件材料的刚开始厚度均为1 µm；
b-e) 这些样品减小至50%工作应变力后的SEM图。鲜红色箭号标识出部件裁切带(c) (e)和滑移带(d)。
图4. 奈米晶胞-非晶双相高熵不锈钢的弹塑性出现变形机理。
a) APT和STEM实验报告的侦测区域提醒图；
b) APT数据的3D重构图。使用Cr原子浓度为10 at.nm-3等浓度面来标示出界面区域，显示出具有大塑性应变的“变形微米柱试样区”、“变形过渡区”（弯的柱状晶）以及“基体材料区”（直的柱状晶）；
c) 从(b)图下截留2 nm厚的载面视图薄片的2D Cr含量分布范围图，展现出在“和变形廊坊可耐电器有限公司柱试件材料区”Cr原子结构有更含有的新趋势；
d) ~50%应力试板同时接合区和基体建筑材料的LAADF-STEM图。接合区由虚线分开，机的薄厚为~80 nm，值与APT动态数据(b)随着有效成分标注的同样部位共同；
e) 过渡性区域内**变弯晶体((d)图例蓝颜色箭头标志如下)的高倍截面积LAADF-STEM图，提示 了使用Shockley不全位错而发展方向的孪晶界转迁手段；
f) 变形微米柱试样区**变形晶粒((d)图中红色箭头所示)的高倍截面LAADF-STEM图，显示出晶粒的孪晶密度在变形后降低为5 × 108 m-1；
g) 蠕变变行全过程中框架演变的展示图。不全位错(“┴”)需要在的玻璃钢-金属材质晶体（Grain 1, Grain 2）对话框处存在并向金属材质晶体中导弹，以来与納米孪晶和层错间接功用而引发去孪晶化。不全位错(“┴”)也需要在金属材质晶体（Grain 3）中跑步，以来在的玻璃钢-金属材质晶体对话框处被吸引（位错湮灭）。蓝绿色和蓝绿色小球分为象征与位错交互设计设计较多和少的分子。虚线圆框象征与位错交互设计设计的分子的开始地址。棕色和蓝绿色虚线分为象征主孪晶界和次级孪晶界。棕色上箭头指示灯了位错跑步的路径。
小结
加以运用高熵镁镍钢相的低层错能和奈米外形长宽废材质的波璃钢相的韧度材质流变动作的好处，完成建设出结了合奈米晶高熵相和奈米外形长宽废材质的波璃钢相的新式奈米结晶-非晶双相高熵镁镍钢。这是那种镁镍钢定制心理借助在Cr-Fe-Co-Ni高熵基体镁镍钢中夹杂着的波璃钢造成属性B和Si来实行。这一些奈米外形长宽废材质的波璃钢相快递包裹高孔隙率奈米孪晶的组成特征表明材质必备条件着4.1 GPa的高抗拉屈服力度（借助压缩成物理学实验测定），而且介于了基本原理与实践、剪切抗拉屈服力度**。此近基本原理与实践抗拉屈服力度出自于于是那种多极增强步骤，列如 双相结晶-非晶组成特征、表面-位错信息交互用、结晶而且 非晶相的奈米级外形长宽模块和结晶相内的高孔隙率孪晶。在韧度材质弯曲扭曲的时候中，非晶相的韧度材质流变、结晶相内的不全位错运功而且 应变速率而致耐热合金材质晶粒落实措施表明镁镍钢综合兼备大过45%的匀韧度材质弯曲扭曲。这一些发展显示了借助配合高熵镁镍钢、废材质的波璃钢和奈米物理学来引出来是那种最新材质类型的好处。这一些新式镁镍钢与奈米组成特征定制步骤不只行使韧度材质不错的材质必备条件着近基本原理与实践抗拉屈服力度，而且行进一个步骤提高有选用社会价值的两种性能指标。列如 不错的软磁块能指标和**的热安稳性（见原稿填充材质）。因而，这一些材质在高动载荷微汽车电器平台和韧性磁块元器等层面有不可估量的选用升值空间。
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