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由于長程有序相與對(duì)應(yīng)的無序相相比，其具有更低的晶體對(duì)稱性和更強(qiáng)的原子鍵合力，導(dǎo)致大多數(shù)高熵和中熵合金（HEA/MEAs）中的長程有序相表現(xiàn)出較差的延展性，甚至表現(xiàn)出脆性。

成果簡介

在此，南京理工大學(xué)陳翔教授和趙永好教授等人提出了一種通過分級(jí)有序化引入三方晶體結(jié)構(gòu)的κ有序相和立方結(jié)構(gòu)的L1₂有序相來加強(qiáng)單相面心立方（fcc）Ni₂CoFeV MEA的設(shè)計(jì)策略。

作者介紹

陳翔，南京理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家級(jí)青年人才，校團(tuán)委副書記。2016年獲中國科學(xué)院金屬研究所博士學(xué)位，隨后在德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院、德國亞琛工業(yè)大學(xué)、德國于利希Ernst-Ruska電鏡中心從事博士后工作。2019年入選南京理工“青年拔尖人才”，2020年起擔(dān)任南理工校團(tuán)委副書記(副處職)，2021年入選國家級(jí)青年人才。主持國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、國家級(jí)青年人才項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等10?項(xiàng)。

趙永好?，工學(xué)博士，二級(jí)教授，博士導(dǎo)師，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，南京市玄武區(qū)僑聯(lián)第八屆委員會(huì)主席，河海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長，南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院納米結(jié)構(gòu)材料中心執(zhí)行主任，江蘇省先進(jìn)微納米材料與技術(shù)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，江蘇省高層次“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”人才和“六大人才高峰”，教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”。

三相MEA具有超過1.6 GPa的超高抗拉強(qiáng)度和30%的出色室溫延展性，超過了大多數(shù)報(bào)道的HEA/MEA的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用。在κ相中同時(shí)激活不尋常的位錯(cuò)多重滑移和堆積斷層（SFs），以及納米SF網(wǎng)絡(luò)、Lomer-Cottrell鎖和在耦合的L1₂相和fcc相中的高密度位錯(cuò)，有助于增強(qiáng)應(yīng)變硬化和出色的延展性。因此，本文通過利用分層有序相成功設(shè)計(jì)了超強(qiáng)和延展性結(jié)構(gòu)材料。

相關(guān)文章以“Ultrastrong and ductile medium-entropy alloys via hierarchical ordering”為題發(fā)表在Sci. Adv.上。

南京理工大學(xué)趙永好教授和陳翔教授，最新Sci. Adv.！

研究背景

高熵和中熵合金（HEA/MEAs）的出現(xiàn)激發(fā)了研究者對(duì)不同于傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)的性能組合的熱潮。一般來說，研究最多的單相面心立方（fcc）HEA/MEAs表現(xiàn)出高延展性，但通常表現(xiàn)出低屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度（UTS）。為了大幅提高其強(qiáng)度到千兆帕級(jí)，沉淀強(qiáng)化是四種經(jīng)典強(qiáng)化方法中最有效的策略，某些由A₃B型Ni₃Al L1₂和AB型NiAl B2有序納米顆粒增強(qiáng)的HEAs/MEAs表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度延性組合。然而，大多數(shù)由無序到有序轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的沉淀物，如D0₂₂、κ和η，往往會(huì)導(dǎo)致拉伸延展性的犧牲，在某些情況下，還會(huì)導(dǎo)致脆性，這一切偶讀歸因于長程有序（LRO）相與無序相相比具有較低的晶體對(duì)稱性和更強(qiáng)的原子鍵合。

研究顯示，價(jià)電子濃度（VEC）定義為總電子數(shù)，包括價(jià)帶中容納的 d 電子，構(gòu)成了決定有序相晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵物理參數(shù)，從而影響機(jī)械性能。通常，隨著VEC的降低，脆性四方結(jié)構(gòu)向三角結(jié)構(gòu)再向六方有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，最后到韌性立方有序結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變逐漸發(fā)生。完全有序的MEAs易受晶間脆化的影響，在室溫下表現(xiàn)出較低的屈服強(qiáng)度。

內(nèi)容詳解

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新策略，通過兩步退火工藝旨在將分層有序階段引入無序的fcc Ni₂CoFeV基體。其中，大量添加Ni有兩個(gè)主要目的：第一，穩(wěn)定fcc相；第二，增加整體VEC，從而增加在中間溫度下分離κ相的驅(qū)動(dòng)力，從而使得由無序的fcc和有序的κ和L1₂相組成的三相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，最終形成千級(jí)屈服強(qiáng)度和超過1.6 GPa的超高UPS，同時(shí)在室溫下保持30%的特殊延展性，最終形成具有千兆帕屈服強(qiáng)度和超過1.6 GPa的超高UTS的合金，同時(shí)在室溫下保持30%的出色延展性，這一創(chuàng)新的變形機(jī)制同時(shí)激活有助于增強(qiáng)應(yīng)變硬化和出色的延展性。

微觀結(jié)構(gòu)

本文采用真空誘導(dǎo)熔化法合成了一種實(shí)際組成為Ni_38.6Co_20.2Fe_20.3V_20.9的Ni₂CoFeV MEA。同時(shí)，在室溫下進(jìn)行多向鍛造，隨后在1150℃下均質(zhì)化，樣品呈現(xiàn)晶格常數(shù)為3.585 ?的單相fcc結(jié)構(gòu)（圖1A）。所有合金元素均分布均勻，在平均晶粒尺寸為~90μm的HT合金中找不到沉淀物。冷軋（CR）后，在細(xì)長的粗晶粒和剪切帶中產(chǎn)生了具有高密度位錯(cuò)的納米層狀亞晶。

隨后在750°C下進(jìn)行再結(jié)晶退火（RA）產(chǎn)生了非均相晶粒結(jié)構(gòu)，RA合金由微米級(jí)和亞微米級(jí)的近等軸晶粒和層狀晶粒組成，后者是退火孿晶和κ相的組合（圖1C）。在650℃（RAA合金）下進(jìn)一步老化后，fcc晶粒和κ相幾乎不粗化。圖1H顯示，RAA合金在fcc晶粒內(nèi)部也具有許多超細(xì)κ相，并且相鄰晶粒的生長受到阻礙。

圖1. Ni₂CoFeV MEA的微觀結(jié)構(gòu)表征及示意圖。

圖2A顯示了在退火誘導(dǎo)的納米孿晶附近形成的κ相，該納米孿晶具有相干邊界，同時(shí)保持(001)κ//(1-11)fcc/L1₂和[010]κ//[011]fcc/L1₂的取向關(guān)系。FFT圖中的超晶格斑點(diǎn)表明，在孿生邊界處具有SF的納米孿晶具有LRO結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步分析表明，耦合的fcc/L1₂相缺乏明顯的界面，但它們的結(jié)構(gòu)域彼此獨(dú)立（圖2B）。進(jìn)一步采用原子探針斷層掃描（APT）分析了三相RAA合金的原子級(jí)化學(xué)成分。

圖2：在原子尺度上由κ、L1₂和無序fcc相組成的三相結(jié)構(gòu)的表征。

機(jī)械性能

HT、CR、RA 和 RAA合金的代表性室溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3A?所示。HT合金具有57%的高斷裂伸長率，但屈服強(qiáng)度非常低（285 MPa）。隨后的劇烈塑性變形將屈服強(qiáng)度提高到1.44 GPa，但由于應(yīng)變硬化能力有限，CR合金的拉伸伸長率明顯降低到7%。相比之下，退火后的RA合金實(shí)現(xiàn)了32%的良好斷裂伸長率，同時(shí)保持了~1 GPa的高屈服強(qiáng)度和1.27 GPa的UTS。

經(jīng)過進(jìn)一步老化后，RAA合金可達(dá)到1.63 GPa的超高UTS，伸長率高達(dá)30%。此外，與CR合金相比，RAA合金同時(shí)增強(qiáng)了UTS和延展性，從而打破了傳統(tǒng)的強(qiáng)度-延展性權(quán)衡。很明顯，在完全無序到有序轉(zhuǎn)變后，延展性急劇下降。RAA合金具有分層有序相，具有延展性和強(qiáng)度，與之前報(bào)道的大多數(shù)HEA/MEAs相比，具有優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用。

圖3：不同工藝制備的Ni₂CoFeV MEAs的力學(xué)性能。

變形機(jī)理

為了研究變形機(jī)理，對(duì)拉伸變形的RA和RAA合金進(jìn)行了透射電鏡觀察。研究顯示，在斷裂的RA合金中，fcc晶粒中的塑性變形以高密度位錯(cuò)為主，包括由平面滑移和纏結(jié)產(chǎn)生的平行陣列。此外，在不同的雙光束條件下，κ相的相邊界處會(huì)堆積大量位錯(cuò)，如圖4（A，B）中的黃色箭頭所示。一些位錯(cuò)穿過κ相，fcc晶粒中保留的退火孿晶也阻礙了位錯(cuò)滑移。相比之下，斷裂的RAA合金除了在耦合的fcc/L1₂晶粒中積累了大量的位錯(cuò)外，還表現(xiàn)出大量的納米SF網(wǎng)絡(luò)（圖4D）。

圖4：加載后斷裂RA和RAA MEAs的變形微觀組織表征。

總的來說，本文建立了一種具有分層有序強(qiáng)化相的強(qiáng)韌性Ni2CoFeV MEA。該策略有效地降低了純有序結(jié)構(gòu)中的晶間斷裂風(fēng)險(xiǎn)。獨(dú)特的多重變形機(jī)制有助于提升應(yīng)變硬化能力和延展性。本文的工作通過在無序基體中引入多主元素有序金屬間相，提供了一種設(shè)計(jì)高性能HEAs/MEAs的策略，在Co-Fe-Ni-V體系中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)信息

Lei Gu?, Yonghao Zhao*?, Yong Li1 , Rui Hou, Fei Liang, Ruisheng Zhang, Yinxing Wu, Yong Fan, Ningning Liang, Bing Zhou, Yang Chen, Gang Sha, Guang Chen, Yandong Wang, Xiang Chen*,?Ultrastrong and ductile medium-entropy alloys via hierarchical ordering, Sci. Adv., https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7553

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