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太原理工《Materials Design》:新型中熵合金,突破强度和塑性矛盾!

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编辑推荐:同时提高材料的强韧性一直是材料科学家追求的目标,本文通过添加Si设计了新颖的CrCoNi中熵合金,强度和延展性获得大幅度提升,抗拉强度960MPa,均匀伸长率92%,这主要归因于Si的添加会产生较低的堆垛层错能,并诱发FCC-HCP相变。

  强韧性材料的开发一直是研究人员的重要目标之一,其在航空航天、航海造船、汽车等行业均具有重要作用。现有的主要挑战是同时提高延展性与强度,中/高熵合金(MEAs/HEA)也存在相同的问题。现阶段在增强MEAs/HEA的性能方面已经做出了巨大的努力,发现适当添加非金属元素(如Si,C和B)通常在改善微观结构和机械性能方面起重要作用,可以达到优异的机械性能。而关于添加Si对MEAs/HEA性能影响的研究主要集中在耐磨性、抗氧化性、硬度、磁性以及压缩机械性能上,对含Si的MEAs/HEA拉伸性能的研究很少,Si对性能的影响机制尚不明确。

  太原理工大学等单位的研究人员通过在CrCoNiMEA中添加Si,设计了新颖的CrCoNiSix(x=0.1,0.2,0.3)MEA。与未添加Si的MEA相比,添加0.3%Si的MEA强度和延展性获得大幅度提升,抗拉强度从790MPa增加至960MPa,均匀伸长率由58%增加至92%。相关论文以题为“Novel Si-added CrCoNi medium entropy alloys achieving the breakthrough of strength-ductility trade-off”发表在Materials and Design。

  论文链接:

  https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109202

  

  在Ar气氛下采用电弧熔炼制备CrCoNi和CrCoNiSix(x=0.1、0.2、0.3;分别由Si0.1,Si0.2,Si0.3表示)。浇铸成板状,完全冷却后进行1100℃×5h的均匀化处理,再进行冷轧(压下率70%),最后进行900℃×1h的再结晶退火(水淬)。

  研究发现CrCoNiSix(x=0.1,0.2,0.3)MEA均发生完全再结晶,Si含量的增加促进了试样加热时再结晶速率,并加速了晶粒的生长。与CoCrNi MEA相比,CrCoNiSix(x=0.1、0.2、0.3)MEA的抗拉强度分别从790MPa增加到856MPa,926MPa和960MPa,均匀伸长率分别为75%、86%和92%。位错和孪晶是CrCoNi MEA在室温和准静态载荷下的主要塑性变形机制。添加Si的MEA表现出良好的位错结构和形变孪晶,并且在室温下会发生形变诱导的FCC-HCP相变。

  

  图1 CrCoNiSix(x=0、0.1、0.2、0.3)MEA的初始微观结构:(a-d) EBSD IPFx图;(e-h) EBSD取向角分布;(i) 晶粒尺寸比较;(j) CrCoNiSi0.3 MEA的TEM显微照片

  

  图2 CrCoNiSix(x=0、0.1、0.2、0.3)MEA的机械性能

  

  图3 CrCoNi和CrCoNiSi0.3 MEA在工程应变为30%(真实应变为26%)和断裂应变(CrCoNi和CrCoNiSi0.3的真实应变分别为45.7%和65%)时的EBSD-IQ与KAM图

  

  图4 TEM显微照片显示了在断裂应变下(a-c)CrCoNi,(d-f)CrCoNiSi0.2和(g-i)CrCoNiSi0.3MEA的不同特性(真实应变值分别为45.7%,62%和65%)

  

  图5 (a,b)HRTEM图像显示断裂后CrCoNiSi0.2和CrCoNiSi0.3MEA的形变孪晶(DT)和HCP结构;(c,e)对应的SAED模式,(d,f)对应的IFFT图像

  
图6 在30%工程应变(26%真实应变)下(a-c)CrCoNiSi0.2和(d-f)CrCoNiSi0.3MEA的TEM显微照片

  总的来说,本研究通过向CrCoNi MEA中添加Si,开发了具有优异机械性能的新型CrCoNiSix(x=0.1,0.2,0.3)MEA。Si的添加会产生较低的堆垛层错能(SFE),并诱发FCC-HCP结构的形变诱导相变,在塑性变形过程中大大改善合金的加工硬化。本文阐明了Si对MEA强度和延展性的影响,设计出强度延展性更高的合金,扩大了MEA可能的应用范围。(文:破风)

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