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  • 《Science》:重大发现!解密难熔高熵合金异常高温强度根源!

    作者:admin发表时间:2022-06-08

      导读:难熔多主元合金(MPEAs)是一种非常有前途的材料,可以满足恶劣条件结构应用的要求,但在这些合金的体心立方(bcc)变体中,需要不同的途径来适应塑性变形。本文在Bcc MPEA MoNbTi合金中实现了均匀塑性变形能力和强度的理想结合,这是由位错必须通过崎岖的原子环境实现的。本文对位错运动的观察和原子计算揭示了非螺旋位错以及众多位错滑移面的出乎意料的优势。这种行为为解释类似合金的异常高温强度的理论提供了依据。该研究结果为合金设计策略提供了一个缺陷感知视角,使材料能够在不同的温度谱中表现优异。

      几个世纪以来材料一直利用单一主元素和加入合金化元素以达到优异性能。过去的十年见证了合金设计策略的转变,开始聚焦于多组分合金,这类被称为多主元合金(MPEAs)、复杂成分合金或高熵合金。由于许多技术应用,特别是在航空航天和发电部门,难熔合金是极高温下使用的很有吸引力的候选材料。然而,这类材料的合金开发进展缓慢。

      由于对具有稳定微观结构和温度不敏感特性的材料的迫切需求,一组体心立方(bcc)难熔MPEAs的发展开始被激发。这些合金组成了难熔金属元素的近乎等原子的混合物。特别是在高温下显示出的高强度非常吸引人,因为它们在某些情况下超过了最先进的镍基高温合金,镍基高温合金在1200摄氏度以上的温度下往往会失去强度。

      在高温下保持强度能够提高工作温度,提高能源、航空航天和核应用的效率。具有Bcc晶体结构的合金,包括钢,随处可见。因为他们的经济规模使得这些合金是大量结构和技术的基础。然而,传统的bcc合金力学性能严重依赖于温度,随着温度的降低,通常表现为韧脆转变。这种行为的起源与螺旋位错的缓慢运动有关。

      基于此,美国加利福尼亚大学Daniel S. Gianola教授团队首次清楚地且出乎意料地证明(i)在0.12 T的低温度下,难熔MPEA中有大量非螺杆节段存在滑动错位;(ii)高阶滑移面在bcc MPEA中的重要性(iii) 随机合金中防滑性的概率描述。这些结果构成了解释该材料在较高温度下具有高强度和均匀塑性的力学基础,有助于理解其强度的弱温度依赖性。这三种特性都适用于将材料暴露在极端温度下的应用场合,而在传统的再生金属或合金中无法同时达到。与所谓的“螺旋”位错不同,变形通过包括“边缘”位错和晶体滑移面的激活在内的多种途径来适应。这些结果为开发新型高强度合金提供了设计范例。相关论文以题“Multiplicity of dislocation pathways in a refractory multiprincipal element alloy”于北京时间2020年10月2号发表在Science上

      螺旋位错是线状晶体缺陷,由于位错核心的原子键合的性质以及间隙元素脆性,例如C. O 和N在升高的温度使螺旋位错发生活动,使形状发生非灾难性的变化。与许多Bcc纯金属和稀释合金相比,一些bcc难熔MPEAs,如MoNbTaW和MoNbTavw,强度随温度升高而逐渐下降,甚至在6000 ~ 10000℃的中间温度范围内出现强度平稳期(图1)。

      单相bcc MPEAS的高强度主要与(i)浓度组成的溶质强化和(ii)局部化学波动引起的核结构沿螺位错的变化有关。这两种现象都表明,螺旋位错上的热激活扭结形核并不一定是位错运动的速率限制步骤,就像简单的bcc金属那样,导致了强度的微弱温度依赖性的预测。

      在MPEAs中螺旋位错的主导地位似乎与理论预测的位错不相称,如在一个弯曲的螺钉位错上预先存在扭结和非螺钉位错的延迟运动。这两个预测将使位错线与纯螺旋方向有明显的偏差。总的来说,目前的实验结果表明经典的bcc位错机制是可行的(图1C),在MPEAs中只进行了细微的增强。这将是一个意外的发现。

      图1 等原子的MoNЬ钛合金屈服应力对温度的依赖关系。(A)有代表性的难熔MPEAs是经压缩试验的bcc相多晶体 。为便于比较,本文还包括了纯bcc金属在再结晶(RX)或轧制(板)条件下的拉伸屈服应力。(B)密度由(22)起。最上面的数据是在室温下。盒子突出了600到1000℃温度范围内的屈服强度。(C和D)位错形态分别在稀释元素合金和bcc MPEA中{1-10}滑移面上的示意图。(E)含有87 nm×87 nm×246 nm的原子探针层析重建29.5 x 10^6个离子,显示了所有原子和Mo. Nb或Ti原子的空间分布。

      本文首先选择纳米压痕过程中施加的多轴应力状态,因为它提供了研究所有潜在位错构型的途径。加工后的MoNbTi的微观结构最初不存在位错,这从压痕产生的塑性区外的均匀对比可以看出(图2);本文观察到的所有位错都经历了下滑。

      图2 纳米压痕引起的位错。扫描透射电子显微镜(TEM)图像(A)显示了缩进下位错的情况。(B至E) (A)中boxer区域的两束亮场TEM图像。每幅图像中衍射向量g按箭头所示方向旋转。用a表示晶体的取向图象的立方晶格。在格子中画出伯格斯矢量。(F)编号为1至9的位错,用于位错线方向分析。

      随着应力从812增加到938 MPa(图3A和B),本文观察到在看似相同的位错之间高度变化的运动。许多位错[如位错(i)]滑到样品的上边缘,并产生长长的痕迹,而其他的位错[如错位(ii)和(iii)]只滑行很短的距离。通常由缺陷附近产生的非均质应力场可以解释这种变异性,但缺陷所在区域的环境并不明显不同。同一滑移体系中位错的滑动行为不同,说明位错滑移的局部晶格阻力在原子尺度上发生了变化,在当前放大率下无法检测到。

      图3,(A和B)加载时位错弯曲的动态观察。C和D)在载重舱。两个原始图像之间的差异如下所示。从水平(张力)方向测量平行滑动轨迹至-61°。(E)从与图像相同的角度显示的相应滑移平面和博格斯矢量,包括施密德因子m。(F)中的等距视图显示了所选位错的位置,这些位置由各自的图像着色。红色的长平行线是它的滑移痕迹。

      图4 在测量区域和测试应力值上的滑移活动的分布。(A)规范区域的初始微观结构。(B和C)显示各应力增量下微观结构变化的不同图像。(D) 变形微结构为1247 MPa。(E)工程应力-应变数据。(F)不同应力值下滑移活动发生的分布。

      综上所述,本文首次清楚地且出乎意料地证明(i)在0.12 T的低温度下,难熔MPEA中有大量非螺杆节段存在滑动错位;(ii)高阶滑移面在bcc MPEA中的重要性(iii) 随机合金中防滑性的概率描述。这些结果构成了解释该材料在较低同源温度下具有高强度和均匀塑性的力学基础,有助于理解其强度的弱温度依赖性。这三种特性都适用于将材料暴露在极端温度下的应用场合,而在传统的再生金属或合金中无法同时达到。由于位错滑移的多特性和多平面特性可以作为材料筛选的一种机制指纹,这些见解为在MPEAs广阔的成分空间中以理论为指导探索新合金铺平了道路。

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