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體心立方難熔多主元素合金(MPEAs)由多種難熔金屬元素組成，具有大于1吉帕斯卡的屈服強(qiáng)度，是一種很有前途的材料，可滿足各種結(jié)構(gòu)應(yīng)用的需求。

然而，它們?cè)谑覝叵碌牡椭翢o(wú)拉伸延性，限制了它們的加工性能和放大應(yīng)用。

在此，來(lái)自北京工業(yè)大學(xué)的毛圣成&韓曉東等研究者提出了一種HfNbTiVAl₁₀合金，它具有顯著的拉伸延展性(約20%)和超高的屈服強(qiáng)度(約1,390兆帕卡)。相關(guān)論文以題為“Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility”于2024年01月03日發(fā)表在Nature上。

多主元素合金(MPEAs)是由高濃度的許多組成元素以相等或接近相等的原子比例組成的，稱為高熵合金，在探索更好的機(jī)械性能方面，比傳統(tǒng)的稀合金提供了更大的組成靈活性。雖然主要由耐火元素組成的體心立方(bcc)耐火MEPAs在室溫下很容易達(dá)到接近或超過(guò)1GPa的屈服強(qiáng)度，但阻礙其加工性能和潛在應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸是其低至零的拉伸塑性。

這種強(qiáng)度-塑性的權(quán)衡并不奇怪，因?yàn)橹甭菸诲e(cuò)平面滑移主導(dǎo)塑性變形，缺乏位錯(cuò)相互作用和增加應(yīng)變硬化，這對(duì)維持非局部塑性應(yīng)變至關(guān)重要。否則，屈服后立即發(fā)生應(yīng)變局部化和不穩(wěn)定，如頸縮。抑制這種不穩(wěn)定性的一個(gè)主要策略是在廣泛的區(qū)域內(nèi)保持高水平(大于1)的歸一化應(yīng)變硬化率θ。

到目前為止，許多傳統(tǒng)的方法，如孿生誘導(dǎo)塑性和相變誘導(dǎo)塑性，已被用于改善難熔MEPAs的應(yīng)變硬化，通過(guò)調(diào)整其相穩(wěn)定性，通常導(dǎo)致強(qiáng)度降低。一個(gè)典型的例子是Ta_xHfZrTi合金，通過(guò)使組成相亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)相變誘導(dǎo)塑性，達(dá)到了高達(dá)25%的拉伸延性，但屈服強(qiáng)度相對(duì)較低，只有幾百兆帕斯卡。

最近的研究集中在探索化學(xué)非均質(zhì)性，如短序和局部化學(xué)波動(dòng)(CFs)，作為改善耐火MEPAs延性的一個(gè)有希望的途徑。這些化學(xué)非均質(zhì)性通過(guò)有效捕獲位錯(cuò)來(lái)延緩位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而增加位錯(cuò)相互作用，并顯著提高合金的應(yīng)變硬化能力。

然而，這些非均勻性的強(qiáng)化效果被發(fā)現(xiàn)是有限的，因?yàn)樗鼈兊某叽绾苄?小于3納米)。因此，缺乏其他強(qiáng)化機(jī)制導(dǎo)致屈服強(qiáng)度相對(duì)較低，低于1 GPa。因此，如何通過(guò)協(xié)同提高耐火MEPAs的強(qiáng)度和抗拉延性來(lái)打破強(qiáng)度和延性之間的平衡，仍然是一個(gè)基礎(chǔ)性和挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

在此，研究者報(bào)道了一種HfNbTiVAl₁₀合金(以下簡(jiǎn)稱HNTVA10)，在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度-塑性協(xié)同作用。圖1a顯示了退火后HNTVA₁₀合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。值得注意的是，該合金的屈服強(qiáng)度(σ_y)約為1,390 MPa，極限抗拉強(qiáng)度(σ_UTS)約為1,416 MPa，同時(shí)具有優(yōu)異的延性，均勻延伸率(ε_u)約為20%。作為參考，研究者將這些結(jié)果與基準(zhǔn)HfNbTiVA_l0和HfNbTiVAl₅合金(以下分別稱為HNTVA₀和HNTVA₅)進(jìn)行了比較，觀察到強(qiáng)度和延性同時(shí)增加。圖1b是HNTVA₁₀合金與其他優(yōu)良bcc耐火MEPAs屈服強(qiáng)度與塑性的對(duì)比分析。

大多數(shù)高強(qiáng)度bcc耐火MEPAs具有較低的延性(ε_u < 5%)。盡管通過(guò)精巧的合金設(shè)計(jì)，在一些合金體系中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了延性，但延性bcc耐火材料MPEAs的強(qiáng)度-延性關(guān)系顯示出一種香蕉狀的權(quán)衡，這在稀合金中通常會(huì)發(fā)生。

圖1.?HNTVA₁₀合金的拉伸性能及與其他高性能bcc耐火MEPAs的比較

圖2. HNTVA₁₀合金中具有多層CFs的分層異質(zhì)結(jié)構(gòu)

圖3. 歸一化應(yīng)變硬化速率和位錯(cuò)密度

圖4. HNTVA₁₀合金的變形機(jī)理

綜上所述，研究者開發(fā)了HNTVA₁₀型耐火MPEA，并在張力下顯示出特殊的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用。這是通過(guò)負(fù)混合焓強(qiáng)化效應(yīng)和相關(guān)的跨越許多尺度的獨(dú)特分層化學(xué)異質(zhì)性的產(chǎn)生來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這些異質(zhì)性在延緩位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)促進(jìn)位錯(cuò)相互作用和積累，從而延緩塑性不穩(wěn)定。負(fù)混合焓固溶體路線被證明是通用性和可重復(fù)性的，并為其他MPEA體系提供了啟發(fā)，可以同時(shí)提高強(qiáng)度和延性。

文獻(xiàn)信息

An, Z., Li, A., Mao, S.?et al.?Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility.?Nature?(2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06894-9

原文鏈接：

http://www.nature.j.yyttgd.top/articles/s41586-023-06894-9

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