上海大学，首篇Science！
纳米人
2021-08-21
通讯单位：上海大学、马克斯-普朗克钢铁研究所、北京科技大学在人造延展性材料中，裂纹等微损伤能够显著影响恶化材料的使用寿命，骨头等（生物）复合材料含有多级微结构，这种微结构对裂纹等损伤具有容忍能力，但是无法实现较高的拉伸塑性。有鉴于此，上海大学钟云波教授团队联合北京科技大学王沿东教授团队，在“共晶鱼骨高熵合金的多级裂纹缓冲效应及其辅助的超高塑韧性”方面取得重大进展，凝固合成了具有定向生长微结构的共晶高熵合金材料，其表现出超优的抗裂纹能力和高的延伸率。这种共晶高熵材料的定向微结构表现为多级的鱼骨形纹理，这种多级结构能够对裂纹的生长、扩展起到很好的钝化阻碍效应，起到模仿生物骨质结构对裂纹的优异缓冲效果。这项工作从成核和生长角度出发，为调控低形变能力的组织发展稳定性、持久性和晶体学性的多重微裂纹提供了经验，有助于改善组织结构中的不可控微裂纹等问题。机理研究发现：在这种多级的共晶鱼骨结构中，相邻高韧性组织的动态应变硬化响应可以诱导多级的裂纹缓冲效应，因此有效地避免裂纹不可控的灾难性生长和破坏。实现了超高的拉伸延伸率（50%），这个数值是目前不具有裂纹缓冲能力共晶高熵材料的3倍。这项研究成果中，上海大学为第一署名单位，上海大学钟云波教授、德国马克斯-普朗克研究所D. Rabbe教授和北京科技大学的王沿东教授为共同通讯作者，钟云波教授指导的上海大学18级博士生时培建为第一作者。近年来，上海大学钟云波教授团队已在高熵合金研究方向发表了多篇高水平的原创科研论文：1、发现共晶高熵合金特有的双相层状结构能够触发显著的异质变形诱导的强硬化去改善力学性能。Peijian Shi et al. Enhanced strength–ductility synergy in ultrafine-grained eutectic high-entropy alloys by inheriting microstructural lamellae. Nature Communications 2019, 10, 489. https://www.nature.com/articles/s41467-019-08460-22、创新性地将多类型形变纳米孪晶与多尺度异质变形硬化效应多重耦合，开发出一种顺序激活的多阶段应变硬化机制。
Peijian Shi et al. Multistage work hardening assisted by multi-type twinning in ultrafine-grained heterostructural eutectic high-entropy alloys. Materials Today 2020, 41, 62-71
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.029
当载荷无法在材料的弹塑性变形中弥散消除时，材料中将形成裂纹，这种现象可能导致工程部件不可控的过早断裂失效，因此可能产生严重的危及人们生命和财产的后果。一些具有多级结构的材料，比如骨头，表现出非常好的抗裂纹作用，但是这种材料通常无法承受较高的拉伸变形。在人造材料中，较高密度的裂纹将造成材料过早断裂。一些人造延展性材料具有一定程度的抗裂纹效果，但是其抗裂纹能力相对非常有限。作者发现多级共晶鱼骨结构的高熵合金能够解决高密度裂纹和大延展性之间“水火不容”的矛盾。共晶高熵合金材料是近年来发展的一类由多种金属元素组成的天然复合材料，作者团队凝固合成了含有多级共晶鱼骨结构的高熵合金，能够在巨大的形变范围（~25 %）内通过多级的裂纹缓冲作用，防止裂纹的灾难性生长和破坏。因此，在形成高密度的裂纹条件中不会损害延展性，反而可以弥补低塑性层片变形性差的缺点，因此导致材料实现了令人惊异的高延展性（~50 %），是常规共晶高熵合金材料延展性的3倍。作者分别通过常规铸造方法、定向凝固方法凝固合成了Al19Fe20Co20Ni41高熵合金材料，考察和比较延展性的区别。通过扫描电镜的电子背散射衍射EBSD（Electron backscattering diffraction）对材料的结构与晶体结构分布情况进行表征。进一步的通过HAADF-STEM、同步辐射高能X射线衍射（SHE-XRD）进行晶体结构和分布情况进行深入分析，确定晶体组成仅仅包括面心立方和体心立方，未出现其他晶相。 图1. 常规铸造、定向凝固微结构对比 (A-C) 常规铸造微结构表征 (D-I) 定向凝固微结构表征常规铸造方法得到的高熵合金材料具有典型的共晶转变形成的片层状微结构，组成结构为交替共生的两相，分别为较软的面心立方和较高硬度的体心立方结构，而且这种共晶高熵合金晶粒间的层片排列方向是随机自由的形式；通过定向凝固法合成的共晶高熵合金材料展现出具有定向生长的共晶微结构，其中沿着定向凝固方向形成柱状晶畴，晶粒的中心呈现平行对齐排列的共晶层片，同时晶界附近具有大量枝状发散的共晶结构，整个多级结构晶畴都由面心立方晶相和体心立方晶相组成的共晶，这种共晶畴结构与鱼骨结构极为相似。作者团队认为这种结构是一种新颖的多级共晶鱼骨结构。作者通过工程应力-应变曲线对这种多级共晶鱼骨结构高熵合金的延展性进行表征，发现这种类鱼骨的微结构显著改善了延展性，均匀延伸性提高为3倍，虽然材料中较硬低塑性的体心立方晶相比例达到41 %，仍从常规铸造方法得到样品的16 %提高至50 %，而且屈服强度较对比材料提高了150 MPa。该材料的延展性达到了目前广泛研究的单相五元面心立方高熵合金CoCrFeNiMn的性能。作者团队将该定向凝固的共晶鱼骨高熵合金材料的拉伸性能与其它铸态共晶、近共晶高熵材料进行对比，验证了其具有异常优异的力学性能。由于多级共晶鱼骨结构诱发的强裂纹缓冲效应，预抛光的试样表面分布着高密的、稳定的、沿滑移线晶体性扩展的多重微裂纹。这些微裂纹主要分布在低塑性的B2硬相层片中，有趣的是不论是在哪种共晶构型中，它们的生长扩展严重受到相邻韧性的L12层片的阻碍和捕捉，因而有效的避免了它们灾难性的生长和破坏，防止过早的断裂失效。 图4. 共晶鱼骨结构高熵合金表面独特的变形形貌和断口的韧窝分布Peijian Shi, et al, Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys, Science 2021, 373, 912-918.DOI: 10.1126/science.abf6986https://science.sciencemag.org/content/373/6557/912
