《Science》：极高断裂韧性的新型合金！一e测试

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《Science》：极高断裂韧性的新型合金！

2022-12-16 10:42:30 0 524

一、研究背景

高熵合金（HEA）作为一类金属材料在冶金界引起了越来越多的关注，它的特性来自于多种主要元素的存在，而不是像大多数传统金属合金那样来自于单一的主要成分（例如钢中的铁）。在两篇开创性论文的启发下，该领域已经发展到包括等价合金和非等价合金、单相固溶体和多相成分复杂的合金，目的是寻找不同于传统合金的性能组合。

这类材料的一个突出群体是基于CrCoNi系统的单相、面心立方（fcc）、等效合金。在这些材料中，等原子CrMnFeCoNi合金是所有HEA中最有特点的。它之所以引人注目，是因为它的室温强度和延展性可以在液氮温度下大幅提高而不影响韧性。此外，在293至77K的温度范围内，其裂纹萌生断裂韧性K_JIc保持在约220MPa·m^½，裂纹扩展韧性K_ss大于300MPa·m^½（裂纹延伸2.25mm后）。最近关于这种HEA的实验显示，当应变速率从10^-3 s^-1（准静态压缩）增加到6×10⁵s^-1（动态剪切）的极高速率时，强度和韧性有类似的增加（后者以吸收的偏差应变能来衡量）。

CrMnFeCoNi合金已经有了一些衍生物，最引人注目的是单相等原子CrCoNi中熵合金（MEA），它显示出更好的性能。在77K，这种MEA被发现具有273 MPa·m^½的K_JIc和超过400 MPa·m^½的K_ss。尽管强度和韧性通常是相互排斥的特性，但CrCoNi合金表现出特别高的损伤耐受性，其断裂韧性值是有史以来最大的。这种CrCoNi基多主元素合金显然是在极端环境中潜在应用的强大候选材料，例如在非常高的应变率和低温下。

二、研究成果

CrCoNi基中熵和高熵合金显示了出色的损伤耐受性，特别是在低温下。在这项研究中，英国布里斯托大学和美国劳伦斯伯克利国家实验室等单位的研究人员研究了20开尔文（K）下的等价CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的断裂韧性值。发现CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂纹起始断裂韧性特别高，分别为262和459兆帕·米^½（MPa·m^½）；CrCoNi在2.25 mm的稳定裂纹后显示了超过540MPa·m½的裂纹增长韧性。20K时的裂纹尖端变形结构与更高温度下的变形结构截然不同。它们包括堆垛层错、细纳米孪晶和转变的ε马氏体的成核和受限生长，具有可促进位错的阻止和传输以产生强度和延展性的连贯界面。他们认为，这些合金通过变形机制、位错滑移、层错形成、纳米孪晶和相变的逐步协同作用来发展抗断裂性，这些机制协同作用延长了应变硬化，同时提高了强度和延展性，导致了优异的韧性。相关研究工作以“Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

三、图文速递

图1. CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的J-R曲线和断裂韧性值随温度的变化

鉴于其特殊的损伤耐受性，研究者通过在液氦环境下进行单轴拉伸试验和基于J的非线性弹性断裂韧性试验，研究了CrCoNi和CrMnFeCoNi合金在更低温度（~20K）下的机械性能。CrCoNi合金的冲击试验报告显示，在77K时，夏比V型缺口能量高达400J，在4.2K温度时减少了10%。然而，仍然不清楚包含尖锐裂纹的样品在低于77K的温度下会有什么表现，在那里强度和延展性的温度相关性已被报告。此外，在接近液氦的低温下，还没有对中熵或高熵合金进行完整的电阻曲线测量，以确定裂纹起始和裂纹增长的断裂韧性。除了测量裂纹起始和裂纹增长的韧性（及其相应的基于应力强度的数值），研究者还进行了原位中子衍射测量和广泛的断裂后电子反向散射衍射（EBSD）分析、断裂成像，特别是透射电子显微镜，以详细检查突出的塑性变形机制和缺陷行为，代表其特殊断裂阻力的根本基础，发现与大多数金属材料不同，随着温度的降低，其阻力逐渐增加。

研究的CrCoNi和CrMnFeCoNi合金是在1200℃下电弧熔化、滴铸和均匀化，然后在室温下冷加工，在800℃下再结晶，得到单相等轴晶粒结构，CrMnFeCoNi的平均晶粒尺寸约为21 mm，CrCoNi约为8 mm。它们的单轴拉伸应力-应变曲线和抗裂曲线（R-曲线），在20K下实验测量，显示在图S4和图1，A和B。为了比较，图1，A和B还显示了在环境（293K）、干冰（198K）和液氮（77K）温度下的R曲线。从J值中反算出相应的基于应力强度的断裂韧性值，作为温度（20到293K）的函数，并绘制了K_JIc（图1，C和D），根据ASTM标准E1820确定，K_ss定义为有效裂纹延伸的最大极限，其中Δa=2.25 mm（接近R曲线的平台）。

图2. CrCoNi基合金的显微组织和断口形貌

尽管它们具有极高的断裂韧性，但这些合金并没有复杂的微观结构，因为它们是简单的单相固溶体（图2，A和B）。因此，立即出现的一个重要问题是这种特殊的抗断裂性的起源，以及为什么它在低温下会如此逐渐增强。

为了解决这个问题，研究者研究了这些合金中负责塑性变形的协同缺陷行为，主要使用CrCoNi合金来说明20K与室温下的典型行为。使用断裂后EBSD分析和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察塑性区内的严重变形区域，直接与裂纹尖端相邻，局部应变很容易达到60-100%。虽然微观结构一开始是相当简单的单相固溶体，但在20K下的变形将结构转变为丰富而复杂的相和缺陷结构的混合物。

图3. EBSD地图

图4. 293和20K下断裂表面附近CrCoNi合金变形微观结构的HRTEM和4D-STEM表征

图5. 根据断裂韧性Kc与屈服强度sy的Ashby图，适用于各种材料

四、结论与展望

这里的主要收获是认识到多种应变硬化机制需要以准确的顺序被激活，以同时提高强度、延展性和韧性。这一基本观点适用于整个低温范围，HEA和MEA具有独特的资格来实际利用这一观点，因为它们拥有多种成分的 "刻度盘"，需要在不影响其他机制的情况下单独调整每个机制--这在仅由一种或两种主要元素组成的传统合金中可能非常困难（如果不是不可能的话）。

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