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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。
毕业论文联结：
//doi.org/10.1002/adma.202002619
成果速读
被非常广泛选用于淬炼晶态不锈钢的**攻略具有传入晶态瑕疵类似于**相或一些晶间相、晶界或孪晶界、固溶体中的异质原子结构制定等。以下淬炼管理共识机制主要的基本概念管理塑型安装模块（位错）的带来和资本增值。在以下淬炼形式中，共格nm小粒溶解与相变导致塑型被证明就能否一同升级不锈钢的抗压抗拉密度和突出主题性，然而同样能在高熵不锈钢中能否实现了。高熵不锈钢为近20年来传入的那种几组元不锈钢设汁观念，一般为两相电或多相晶态固溶体，掌握较适切的结构制定力学耐磨性。晶态固溶体的特制使其弯曲变形管理共识机制为位错滑移、孪生或相变，为此其一般掌握高突出主题性。另一，根据升级优化组成成分和结构制定设汁，高熵不锈钢的抗压抗拉密度就能否的大面积的升级，在部分原因下竟然就能否高出传统与现代的晶态不锈钢。尽量是这样， 高熵不锈钢的切剪抗压抗拉密度还没有完全能高出G/100，远远地底于G/10的认识论**。
铝和塑料类有机的有机的波璃窗窗窗窗为20个世纪60年 引进的另一个种多个元和塑料类构思管理发展理念。其非晶节构不提供滑移程序和多晶体指标网络体系中的位错，其提供**的剪截构造G/37。既使，铝和塑料类有机的有机的波璃窗窗窗窗在温度下的韧度扭曲被**的约束于剪截带中，故而一般情况下不提供经济波动拓展性。在铝和塑料类有机的有机的波璃窗窗窗窗中引进例如类液态氨区或软区等异质节构能够让剪截带的资本增值在韧度扭曲过程中 变成偏折和抑制，故而可很大程度上增加铝和塑料类有机的有机的波璃窗窗窗窗的拓展性。不错要留意的是，当铝和塑料类有机的有机的波璃窗窗窗窗的大小少于100 nm时，大小相互作用使其提供透亮流变举动。依据铝和塑料类有机的有机的波璃窗窗窗窗的本征流变举动和近期来的高熵和塑料类构思竞争优势，探讨员工展示板好几回种坐版的和塑料类构思管理发展理念，即依据納米技术非晶态铝和塑料类有机的有机的波璃窗窗窗窗相和納米技术晶态高熵相来变成是一种坐版的提供**测力耐磨性的文件。推动在高熵Cr-Fe-Co-Ni指标网络体系中引进過量有机的有机的波璃窗窗窗窗变成重元素以高于低层错能的納米技术晶相与铝和塑料类有机的有机的波璃窗窗窗窗相共处而获得推动。
这创新合金属与微米结构类型设计构思措施这样不仅就可能使韧度比较的建筑涂料掌握近概念抗弯强度，然而就可能进那步供给有适用社会价值的别性。这类比较的软永磁铁和**的热比较稳定量分析（见译文补足建筑涂料）。因而，这建筑涂料掌握在高动载荷微机械设备设备和柔性fpc线路板永磁铁集成电路芯片中的适用空间。
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图提示在三叉点和某个晶界处存在~1 nm厚的非晶相（较亮区域内）；
e) 在(c)图箭头标志如下图所示区域中的1D的成分图；
f) 从(c)图里提取的1 nm厚平视薄片的2D Cr氧浓度遍布图，信息显示出富Cr非晶相的遍布；
g) 不同依照22.7 at%和18.3 at% Fe的等浓硫酸浓度面透露出的晶胞相和的玻璃相。
图2. nm单氯化钠晶体-非晶双相高熵碳素钢的单氯化钠晶体构造。
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) 别的一些富含五重納米孪晶的柱状图晶。四个孪晶界各用TB1、TB2、TB3、TB4相应TB5表现；
c, d) 在(a)和(b)虚线框内的放缩高倍LAADF-STEM图，提示出低于2 nm厚的孪晶/层错/基体的片层节构。之中，原子结构的堆垛次序由“A”，“B”和“C”标注。孪晶界和层错各自由橙红色虚线和淡蓝色实线标注。
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高熵混合镍钢、nm晶CrCoNi-Fe-Si-B镍钢、nm晶CrCoNi镍钢各种多晶硅CrCoNi镍钢的再压缩过程中弯曲应力-应力应变弧线。纳米柱试件的初始值直径不低于均为1 µm；
b-e) 上面的钢材拉伸试验缩短至50%水利应对后的SEM图。颜色箭头符号标贴出部件剪接带(c) (e)和滑移带(d)。
图4. 纳米技术结晶体-非晶双相高熵合金属的蠕变变形几率体制。
a) APT和STEM测试的观测定位提示图；
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)图下读取2 nm厚的断面视图薄片的2D Cr质量浓度布局图，显视出在“开裂微米换算柱试板区”Cr电子层有更生物富集的市场需求；
d) ~50%应对试件文件并且淡入性区和基体文件的LAADF-STEM图。淡入性区由虚线分开，尺寸为~80 nm，参数与APT数据表格(b)只能根据因素标识的雷同区域环境相同；
e) 过渡期地区**开裂晶体((d)图里暗蓝色方向箭头所彰显)的高倍剖面LAADF-STEM图，彰显了采用Shockley不全位错而发展方向的孪晶界转入做法；
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) 弹塑性变型阶段中组成部分进化的提示图。不全位错(“┴”)能够 在钢化窗户玻璃-金属材质晶体大小（Grain 1, Grain 2）菜单栏处行成并向金属材质晶体大小中火箭发射，随后与纳米技术孪晶和层错上下级反应而形成去孪晶化。不全位错(“┴”)也能够 在金属材质晶体大小（Grain 3）中运功，随后在钢化窗户玻璃-金属材质晶体大小菜单栏处被消化（位错湮灭）。鲜红颜色和颜色小球分离主要性英文与位错信息交互设计较多和少的共价键。虚线圆框主要性英文与位错信息交互设计的共价键的默认值部位。深蓝色和鲜红颜色虚线分离主要性英文主孪晶界和次级孪晶界。深蓝色箭号指示标志了位错运功的放向。
小结
积极利用率高熵碳素钢相的低层错能和nm长宽比大小轻复合波璃相的延展性流变方式的优缺点，好开拓出结了合nm晶高熵相和nm长宽比大小轻复合波璃相的轻型nm奈米线-非晶双相高熵碳素钢。这一项碳素钢的规划观念按照在Cr-Fe-Co-Ni高熵基体碳素钢中添加波璃达成营养元素B和Si来体现。等等nm长宽比大小轻复合波璃相包着混凝土泵送规格nm孪晶的的结构的特征使建筑资料必备条件4.1 GPa的混凝土泵送強度（按照进行压缩實驗精确测量），还有就是介于了基本原理复制粘贴強度**。此近基本原理強度出自于于各种三级突破玩法，属于双相奈米线-非晶的结构的特征、工具栏-位错交互技术做用、奈米线或非晶相的nm级长宽比大小标段和奈米线相内的混凝土泵送规格孪晶。在延展性变型整个过程中，非晶相的延展性流变、奈米线相内的不全位错行动或应力造成晶粒度优化使碳素钢整体上掌握大于等于45%的不规则延展性变型。等等察觉到动态展示了按照切合高熵碳素钢、轻复合波璃和nm科学性来生成各种碟照建筑资料品种的优缺点。等等轻型碳素钢与nm的结构的特征的规划方式实际上可使延展性良好的建筑资料必备条件近基本原理強度，还有就是可进一歩展示有软件选用市场价值的任何耐磨性。列如良好的软磁耐磨性和**的热保持稳判定（见译文补充维生素建筑资料）。因为，等等建筑资料在高承载能力微机电工程专业模式和柔软性永磁铁元器等领域行业有大的软件选用潜质。
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