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研究背景

如果载荷不能通过弹塑性工作完全消散，材料中会出现断裂，从而使人的生命面临安全关键部件失效和完整性丧失的风险。一些分级复合材料，如高韧性骨，具有优异的抗裂性，但它们通常不能承受高伸长率，因为没有足够的常规晶格缺陷来承受拉伸变形。在人类工程可成形材料中，大范围的裂纹往往会引发过早失效。这些裂纹通常是由局部严重塑性变形引起的，它们的传播不能被有效地缓冲和阻止。这种情况之所以存在，是因为局部变形的微观结构通常不具备足够持久的应变硬化能力，而应变硬化能力可以减轻裂纹扩展尖端的局部高应力。因此，即使一些韧性金属复合材料表现出裂纹容限，也只能获得有限的额外拉伸韧性。

在人造可锻材料中，裂纹等微观损伤通常会限制材料的寿命。一些生物复合材料，如骨，具有分级的微观结构，可以耐受裂纹，但不能承受高伸长率。为解决这一世界难题，近日，上海大学钟云波教授、北京科技大学王沿东教授和德国马克斯普朗克铁研究所Dierk Raabe教授合作报道了一种定向凝固的共晶高熵合金(EHEA)，它成功地协调了裂纹容限和高延伸率。凝固的合金具有分层组织的人字形结构，这使得仿生启发的分层裂纹缓冲成为可能。这种效应引导了大量低变形微结构中多个微裂纹的稳定、持久的结晶成核和生长。相邻动态应变硬化特征的分级缓冲有助于裂纹避免灾难性增长和渗透。这种自缓冲人字纹材料产生了超高的均匀拉伸伸长率(~50%)，是传统非缓冲共晶高熵合金的三倍，而不牺牲强度。相关研究工作以“Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。据报道，这是上海大学首篇作为第一完成单位的Science成果，点赞！

这里介绍一下钟云波教授，男，博士，研究员，博士生导师，上海大学材料工程系副主任，日本铁钢协会海外会员，主要研究领域如下：(a)电磁冶金及材料电磁加工；(b)超高强磁场下(金属)材料制备；(c)钢铁及有色金属及合金精炼(熔体精炼、电渣重熔)；(d)金属及合金的凝固及连铸；(e)高性能铜合金/铝合金制备；(f)高性能结构功能材料制备(高硅钢、高熵合金等)；(g)高品质工模具钢精炼及凝固控制/性能提升技术。

1989.09-1993.07，中南大学(原中南工业大学)有色冶金系，获工学学士学位；

1993.09-1996.03，中南大学有色冶金系，获工学硕士学位；

1996.09-1999.12，上海大学上海市钢铁冶金新技术开发及应用重点实验室，获工学博士学位。

出版/参编专著各1本，获授权国家发明专利57项（另32项获受理），在Science、Nature Communications、Electrochimica Acta、Applied physics letter、Materials & Design、金属学报等国内外核心期刊和会议上发表论文210余篇，被sci/ei收录190余篇次，总被引>1290次(他引>1000次)，其中if>2.0：>30篇。获上海市技术发明一等奖 (2015)、教育部科技进步二等奖(2014)、第六届中国金属学会冶金青年科技奖、教育部自然科学二等奖(2014)、教育部全国百篇优秀博士论文奖、国际会议“excellent young scientist award”、国际会议最佳poster奖、上海市科技进步三等奖(2000)等15项。主持国家十三五重点研发计划重点项目课题2项、国家自然科学基金重点3项、面上3项、863计划项目1项、教育部百优博士论文基金项目1项、上海市重大重点攻关项目及省部级和企业委托重点项目三十余项，2018年实现上海大学技术成果转化单项最高金额项目的签约。祝贺！

图1. 分级排列的人字形微结构

图2. 环境温度下的拉伸响应

研究表明，在共晶高熵合金中，大范围裂纹产生和高均匀延伸率之间的矛盾是可以解决的。在EHEAs中，人字形分层共晶微观结构设计往往会在拉伸变形时产生高密度的裂纹。然而，分级裂纹缓冲防止裂纹在大约25%的巨大应变范围内灾难性地生长和渗透。因此，这种高密度的裂纹对伸长并不有害，而是可以作为补偿变形性差的薄片的有限拉伸延展性的有效策略。这使得相邻薄片之间的超高等应变形成条件具有不同的可变形性，从而获得约50%的惊人的高均匀伸长率。该值是没有这种裂纹容限的传统 EHEAs的三倍。

图3分级裂纹缓冲

图4 L1₂ 薄片承重响应的微观结构和微观力学观察

具有高韧性的天然材料通常也包括分层结构中的硬组分和软组分。板层皮质骨是一个主要的例子，它由矿化的胶原纤维和非纤维的有机基质组成，有机基质作为“胶水”将矿化的纤维结合在一起。健康的板层骨通过贯穿其分级结构的互补的内在和外在贡献来抵抗骨折。胶介导的原纤维滑动机制，类似于我们的人字形EHEA中的位错辅助非弹性变形，对于高塑性是必不可少的。在这两种材料中，塑性和由此产生的延展性通过耗散能量和在初始裂纹周围形成塑性区而对固有韧性作出了主要贡献，这进一步起到了钝化裂纹尖端的作用，从而降低了裂纹的驱动力。外在机制，如胶原纤维桥接和裂纹偏转，主要作用于裂纹尾迹，以减少和屏蔽裂纹尖端经历的局部应力/应变，从而抑制它们的扩展。这些效应与我们在人字纹材料中发现的有明显的相似性。当然，骨骼的一个显著特征是它能够自我改造以治愈和修复损伤——这一特征很难在我们仿生合成材料中复制。

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结论与展望

这项工作提供了一种分层的微结构设计方法，在定向凝固的块状EHEA中实现，允许协调裂纹容限和高均匀伸长率，这些特征在人造和生物材料中通常是互斥的。裂纹容限保持在大约25%的拉伸伸长率的大范围内，并且能够使材料的延展性相对于常规固化材料增加3倍，而不牺牲强度。这些提出的机制在指导更广泛的共晶型铸造合金和传统合金发展方面显示出实际价值。微结构方法也可以潜在地在由硬相和软相组成的其他块体材料中实现，这些块体材料可以被呈现为分级组织的人字形微结构，使得能够设计耐裂纹但高变形性的材料，不是通过避免裂纹，而是通过引导和缓冲它们。此外，这种分层的人字形微观结构设计方法及其对裂纹缓冲的显著作用不仅在设计具有高伸长率的新型分层结构合金方面，而且在设计具有优异断裂韧性的新型骨替代生物材料方面表现出很强的指导意义。

文章链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abf6986