《Science》子刊:多主元合金的最大强度和位错花样!

2022-11-26 23:52:04, 材料科学与工程



含有三种或三种以上高浓度成分的多主元合金(MPEAs)具有可调的化学近程有序(SRO)。来自美国加州大学尔湾分校等单位的研究人员利用大规模原子模拟探索了CrCoNi合金Hall-Petch强化极限变形机制,并揭示化学有序效应。相关论文以题为“Maximum strength and dislocation patterning in multi–principal element alloys”发表在Science Advances上。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq7433


晶粒细化强化被理解为Hall-Petch效应,可以赋予材料超高的强度。然而,当晶粒尺寸降到十几纳米时,晶界强化被打破,软化成为主要机制,产生了材料达到最大强度的最强尺寸。经典的Hall-Petch尺度,最初被提出用于纯金属,已经被证明在一类新兴的多主元合金(MPEAs)中是有效的。然而,MPEAs中的理想随机固溶体,可能只有在接近熔点的温度下才可能存在。随着温度的降低,溶质-溶质相互作用和混合焓(焓贡献)在吉布斯自由能中起主导作用,并导致化学反应的局部有序。在长时间退火的MPEAs中出现了明显的短期有序(SRO),并对位错滑移和力学行为产生了显著影响。作为MPEAs的一个显著特征,一个有趣的问题是SRO是否或如何影响最强尺寸、最大强度和潜在的变形机制。


在众多的MPEA体系中,面心立方(fcc) CrCoNi基合金因其优异的力学性能,包括高强度和延展性而受到广泛关注。其优越的力学性能源于其较低的堆叠能,有利于机械应变过程中的缠绕和相变。孪晶诱导塑性和转化诱导塑性,即高级钢的TWIP和TRIP效应,提供额外的界面硬化并推迟颈缩的发生,有助于增强强度-塑性协同作用。当SRO被设计到材料中时,位错运动的层错能(SF)和活化能垒都增加了,这可能改变了位错滑移路径,从而改变了形变微观结构(例如纳米孪晶和马氏体相变)。除了材料的固有性质外,另一个控制晶粒变形微观结构的参数是其晶体取向,因为它决定了活动滑移系统的形式,如单面滑移、双面滑移和多面滑移。虽然平面滑移带、变形纳米孪晶和变形六方密排(hcp)结构,在实验中被广泛观察到,但由于在三维体材料应变过程中无法原位跟踪位错,理解支撑位错机制及其与晶粒取向的关系,仍然是一个具有挑战性的问题。


在此,为了克服这一挑战,研究者利用fcc CrCoNi合金模型在原子水平上的大规模变形模拟,研究了位错花样和变形微观组织演化的显著不同特征,主要取决于晶粒取向。SRO的存在显著提高了岩石的最大强度,降低了断裂和构造转变的倾向,同时加剧了平面滑移和应变局域化。变形晶粒表现出明显不同的微观结构和位错花样,这主要取决于它们的晶体取向和活动滑移面数量。单面滑移晶粒变形诱导结构转变体积分数最高,双面滑移晶粒位错网络最密集。这些结果促进了对MPEAs中变形机制和位错模式的基本理解,提出了一种通过同时剪裁晶粒织构和局部化学有序来调整力学行为的机制策略。(文:水生)


图1 CrCoNi合金的组织与Hall-Petch强化。

图2 变形微观组织和局部塑性应变。

图3 单一活动滑移面的晶粒变形特征与位错模式。

图4 双活动滑移面晶粒变形特征与位错模式。

图5 多活动滑移面晶内变形特征与位错模式。

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