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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。
职称论文微信链接：
//doi.org/10.1002/adma.202002619
成果速读
被比较广泛软件于增幅晶态镁锰钢的**思路以及带来晶态瑕疵譬如**相或想关晶间相、晶界或孪晶界、固溶体中的异质原子核等。那些增幅规则一般根据操控延性材料承载过重，这个是需要注意的，液晶屏要控制在适合的数量内单无（位错）的引发和升值。在那些增幅办法中，共格奈米科粒沉淀与相变促使延性材料被得知就能够时候升级优化镁锰钢的挠度和延伸性，另一还可在高熵镁锰钢中才能构建。高熵镁锰钢为近十几年来带来的的多个元镁锰钢开发宗旨，普通为单相电或多相晶态固溶体，应具较广泛的磁学机械性能。晶态固溶体的属性使其扭曲规则为位错滑移、孪生或相变，因为其普通应具高延伸性。另一，完成升级优化成分表和结构的开发，高熵镁锰钢的挠度就能够拥有升幅升级优化，在某一些条件下乃至就能够高出传统意义的晶态镁锰钢。纵然都是这样， 高熵镁锰钢的抗拉挠度未曾能高出G/100，或许不超过G/10的理论与实践**。
镁合金资料材质夹层钢化破璃纸为20世际60时期机遇的另种多个元耐热镁合金资料设定核心价值。其非晶格局不应有条件滑移操作系统和尖晶石模式中中的位错，其应有条件**的截取视频的强度G/37。然后，镁合金资料材质夹层钢化破璃纸在高温下的蠕变和倾斜被**的限定于截取视频带中，但是经常不应有条件外部经济拓展性。在镁合金资料材质夹层钢化破璃纸中机遇譬如类固体区或软区等异质格局可让截取视频带的升值潜力可以预见在蠕变和倾斜时发生了偏折和延长时间，但是可很大的提升镁合金资料材质夹层钢化破璃纸的拓展性。适合还要注意的是，当镁合金资料材质夹层钢化破璃纸的厚度不大于100 nm时，厚度调节作用使其应有条件粗糙流变举动。特征提取镁合金资料材质夹层钢化破璃纸的本征流变举动和近两以来的高熵耐热镁合金资料设定主要优势，研究方案人员管理展示台打了个种不一样的耐热镁合金资料设定核心价值，即特征提取奈米级非晶态镁合金资料材质夹层钢化破璃纸相和奈米级晶态高熵相来养成属于不一样的应有条件**力学性使用性能的资料。采用在高熵Cr-Fe-Co-Ni模式中中机遇适度夹层钢化破璃纸养成重元素以保证低层错能的奈米级晶相与镁合金资料材质夹层钢化破璃纸相并存而借以保证。
在这一一种新型不锈钢与纳米级架构构思的方式并不是会使塑型适合的原料应具近基础理论抗拉强度，然后会进步骤给予有应该用软件价格的另一个安全性能。譬如适合的软磁安全性能和**的热安全性（见原稿补充营养原料）。这样，在这一原料应具在高载重微有限公司软件系统和柔性板吸引力集成电路芯片中的应该用软件成长性。
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图信息显示在三叉点和哪些 晶界处出現~1 nm厚的非晶相（较亮领域）；
e) 在(c)图箭头标志表达城市的1D组分图；
f) 从(c)下图剪取的1 nm厚平视薄片的2D Cr渗透压划分范围图，体现出富Cr非晶相的划分范围；
g) 对应可根据22.7 at%同时18.3 at% Fe的等氧浓度面指出出的结晶体相和的玻璃相。
图2. 奈米纳米线-非晶双相高熵镁合金的纳米线结构特征。
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) 除此之外其中一个含五重nm孪晶的柱状体晶。七个孪晶界分別用TB1、TB2、TB3、TB4同时TB5代表；
c, d) 在(a)和(b)虚线框内的图像放大高倍LAADF-STEM图，体现出不低于2 nm厚的孪晶/层错/基体的片层设备构造。里面，原子结构的堆垛次序由“A”，“B”和“C”表识。孪晶界和层错分别为由大红色虚线和深蓝色实线表识。
图3. 纳米晶体-非晶双相高熵合金的力学性能。
a) 晶胞-非晶CrCoNi-Fe-Si-B高熵软型镍钢类材料、奈米技术晶CrCoNi-Fe-Si-B镍钢类材料、奈米技术晶CrCoNi镍钢类材料及多晶硅CrCoNi镍钢类材料的降低工业弯曲应力-应对拟合曲线。纳米柱试件材料的刚开始直径为均为1 µm；
b-e) 综上所述岩样压缩视频至50%市政工程应力后的SEM图。黄色箭头标志标识出部门抗拉带(c) (e)和滑移带(d)。
图4. 纳米技术纳米线-非晶双相高熵合金类的蠕变发生形变工作机制。
a) APT和STEM實驗的发现职位构造图；
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)图示提取2 nm厚的横截面视图薄片的2D Cr浓度值规划图，信息显示出在“开裂μm柱坯料区”Cr分子有更含有的前景；
d) ~50%应力应变坯料并且缓冲间区和基体建材的LAADF-STEM图。缓冲间区由虚线分离出来，厚薄为~80 nm，检测值与APT统计资料(b)给出部分标贴的不同空间区域共同；
e) 淡入空间**变化晶体((d)图示黄色下箭头右图)的高倍剖面LAADF-STEM图，体现 了能够Shockley不全位错而成长 的孪晶界搬迁犯罪行为；
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) 塑形易变型历程中设备构造进化的关心图。不全位错(“┴”)能在波璃-金属材质晶体（Grain 1, Grain 2）接面处产生了并向金属材质晶体中释放，之前与纳米级孪晶和层错上下级功用而出现去孪晶化。不全位错(“┴”)也能在金属材质晶体（Grain 3）中锻炼，之前在波璃-金属材质晶体接面处被吸取（位错湮灭）。鲜红白色和黄色小球区别为代替与位错交互方式式较多和少的电子层。虚线圆框代替与位错交互方式式的电子层的初期部位。蓝色和鲜红白色虚线区别为代替主孪晶界和次级孪晶界。蓝色箭头标志标识了位错锻炼的的方向。
小结
充足再生利用高熵碳素钢相的低层错能和奈米的寸尺重铝各种不锈钢钢钢属波璃相的蠕变流变方式的特点，成功创业开发制作出结案合奈米晶高熵相和奈米的寸尺重铝各种不锈钢钢钢属波璃相的新形奈米结结晶-非晶双相高熵碳素钢。上述碳素钢制作基本原则经过在Cr-Fe-Co-Ni高熵基体碳素钢中添加波璃产生原子B和Si来保持。这样的奈米的寸尺重铝各种不锈钢钢钢属波璃相 包装极高高硬度奈米孪晶的构造导致素材拥有4.1 GPa的极高效果（经过降低进行实验测是），还表示了系统软件系统软件论截段效果**。此近系统软件系统软件论效果起源于于一项多用升星摸式，也包括双相结结晶-非晶构造、页面-位错人机交互意义、结结晶与非晶相的奈米级的寸尺单元测试和结结晶相内的极高高硬度孪晶。在蠕变膨胀时候中，非晶相的蠕变流变、结结晶相内的不全位错运功与应变速率造成的晶粒度明确责任导致碳素钢一体化体现了达到45%的更加均匀蠕变膨胀。等等发现了展现了经过结合实际高熵碳素钢、重铝各种不锈钢钢钢属波璃和奈米科学学来引入一项最顶配素材品种的特点。这样的新形碳素钢与奈米构造制作技巧往往应该使蠕变比较的素材拥有近系统软件系统软件论效果，还应该进三步具备有应运总价值的两种特点。列如 比较的软磁特点和**的热相对稳定义（见全文填充素材）。因，这样的素材在高力矩微机电工程专业系统软件和柔性板剩磁功率器件等教育领域有硕大的应运能力。
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