专栏名称: 材料学网

材料界最具影响力的资源共享平台！发布基础知识、新闻资讯、科技服务、数值模拟、考研考博、论文写作、招聘信息、先进设备及产业应用等，服务于中国高校、企业及科研院所的发展，以及相应科研成果的推广、转让和咨询

他，「国家级青年人才」，26岁博士毕业，29岁211教授，34岁副院长，联手「国家杰青」发表最新Sci. Adv.！

材料学网 · 公众号 · · 2024-06-06 22:04

正文

由于长程有序相与对应的无序相相比，其具有更低的晶体对称性和更强的原子键合力，导致大多数高熵和中熵合金（HEA/MEAs）中的长程有序相表现出较差的延展性，甚至表现出脆性。

成果简介

在此， 南京理工大学陈翔教授和赵永好教授等人 提出了一种通过分级有序化引入三方晶体结构的κ有序相和立方结构的L1 ₂ 有序相来加强单相面心立方（fcc）Ni ₂ CoFeV MEA的设计策略。

作者介绍

陈翔，南京理工大学教授，博士生导师，国家级青年人才，校团委副书记。2016年获中国科学院金属研究所博士学位，随后在德国卡尔斯鲁厄理工学院、德国亚琛工业大学、德国于利希Ernst-Ruska电镜中心从事博士后工作。2019年入选南京理工“青年拔尖人才”，2020年起担任南理工校团委副书记(副处职)，2021年入选国家级青年人才。主持国家自然科学基金重大研究计划重点项目、国家级青年人才项目、国家自然科学基金面上项目等10 项。

赵永好 ，工学博士，二级教授，博士导师，国家杰出青年科学基金获得者，南京市玄武区侨联第八届委员会主席，河海大学材料科学与工程学院院长，南京理工大学材料科学与工程学院纳米结构材料中心执行主任，江苏省先进微纳米材料与技术高校重点实验室副主任，江苏省高层次“创新创业”人才和“六大人才高峰”，教育部“新世纪优秀人才”。

三相MEA具有超过1.6 GPa的超高抗拉强度和30%的出色室温延展性，超过了大多数报道的HEA/MEA的强度-延展性协同作用。在κ相中同时激活不寻常的位错多重滑移和堆积断层（SFs），以及纳米SF网络、Lomer-Cottrell锁和在耦合的L1 ₂ 相和fcc相中的高密度位错，有助于增强应变硬化和出色的延展性。因此，本文通过利用分层有序相成功设计了超强和延展性结构材料。

相关文章以“ Ultrastrong and ductile medium-entropy alloys via hierarchical ordering ”为题发表在 Sci. Adv. 上。

研究背景

高熵和中熵合金（HEA/MEAs）的出现激发了研究者对不同于传统合金设计的性能组合的热潮。一般来说，研究最多的单相面心立方（fcc）HEA/MEAs表现出高延展性，但通常表现出低屈服强度和极限拉伸强度（UTS）。为了大幅提高其强度到千兆帕级，沉淀强化是四种经典强化方法中最有效的策略，某些由A ₃ B型Ni ₃ Al L1 ₂ 和AB型NiAl B2有序纳米颗粒增强的HEAs/MEAs表现出良好的强度延性组合。然而，大多数由无序到有序转变产生的沉淀物，如D0 ₂₂ 、κ和η，往往会导致拉伸延展性的牺牲，在某些情况下，还会导致脆性，这一切偶读归因于长程有序（LRO）相与无序相相比具有较低的晶体对称性和更强的原子键合。

研究显示，价电子浓度（VEC）定义为总电子数，包括价带中容纳的 d 电子，构成了决定有序相晶体结构的关键物理参数，从而影响机械性能。通常，随着VEC的降低，脆性四方结构向三角结构再向六方有序结构转变，最后到韧性立方有序结构的转变逐渐发生。完全有序的MEAs易受晶间脆化的影响，在室温下表现出较低的屈服强度。

内容详解

基于此，本文设计了一种创新策略，通过两步退火工艺旨在将分层有序阶段引入无序的fcc Ni ₂ CoFeV基体。其中，大量添加Ni有两个主要目的：第一，稳定fcc相；第二，增加整体VEC，从而增加在中间温度下分离κ相的驱动力，从而使得由无序的fcc和有序的κ和L1 ₂ 相组成的三相结构转变，最终形成千级屈服强度和超过1.6 GPa的超高UPS，同时在室温下保持30%的特殊延展性，最终形成具有千兆帕屈服强度和超过1.6 GPa的超高UTS的合金，同时在室温下保持30%的出色延展性，这一创新的变形机制同时激活有助于增强应变硬化和出色的延展性。

微观结构

本文采用真空诱导熔化法合成了一种实际组成为Ni _38.6 Co _20.2 Fe _20.3 V _20.9 的Ni ₂ CoFeV ME A。同时，在室温下进行多向锻造，随后在1150℃下均质化，样品呈现晶格常数为3.585 Å的单相fcc结构（图1A ）。所有合金元素均分布均匀，在平均晶粒尺寸为~90μm的HT合金中找不到沉淀物。冷轧（CR）后，在细长的粗晶粒和剪切带中产生了具有高密度位错的纳米层状亚晶。

随后在750°C下进行再结晶退火（RA）产生了非均相晶粒结构，RA合金由微米级和亚微米级的近等轴晶粒和层状晶粒组成，后者是退火孪晶和κ相的组合（图1C ）。在650℃（RAA合金）下进一步老化后，fcc晶粒和κ相几乎不粗化。图1H 显示，RAA合金在fcc晶粒内部也具有许多超细κ相，并且相邻晶粒的生长受到阻碍。

图1. Ni ₂ CoFeV MEA的微观结构表征及示意图。

图2A 显示了在退火诱导的纳米孪晶附近形成的κ相，该纳米孪晶具有相干边界，同时保持(001)κ//(1-11)fcc/L1 ₂ 和[010]κ//[011]fcc/L1 ₂ 的取向关系。FFT图中的超晶格斑点表明，在孪生边界处具有SF的纳米孪晶具有LRO结构。进一步分析表明，耦合的fcc/L1 ₂ 相缺乏明显的界面，但它们的结构域彼此独立（图2B）。进一步采用原子探针断层扫描（APT）分析了三相RAA合金的原子级化学成分。

图2：在原子尺度上由κ、L1 ₂ 和无序fcc相组成的三相结构的表征。

机械性能

HT、CR、RA 和 RAA合金的代表性室温拉伸工程应力-应变曲线如图3A 所示。HT合金具有57%的高断裂伸长率，但屈服强度非常低（285 MPa）。随后的剧烈塑性变形将屈服强度提高到1.44 GPa，但由于应变硬化能力有限，CR合金的拉伸伸长率明显降低到7%。相比之下，退火后的RA合金实现了32%的良好断裂伸长率，同时保持了~1 GPa的高屈服强度和1.27 GPa的UTS。

经过进一步老化后，RAA合金可达到1.63 GPa的超高UTS，伸长率高达30%。此外，与CR合金相比，RAA合金同时增强了UTS和延展性，从而打破了传统的强度-延展性权衡。很明显，在完全无序到有序转变后，延展性急剧下降。RAA合金具有分层有序相，具有延展性和强度，与之前报道的大多数HEA/MEAs相比，具有优异的强度-延展性协同作用。

图3：不同工艺制备的Ni ₂ CoFeV MEAs的力学性能。

变形机理

为了研究变形机理，对拉伸变形的RA和RAA合金进行了透射电镜观察。研究显示，在断裂的RA合金中，fcc晶粒中的塑性变形以高密度位错为主，包括由平面滑移和缠结产生的平行阵列。此外，在不同的双光束条件下，κ相的相边界处会堆积大量位错，如图4（A，B）中的黄色箭头所示。一些位错穿过κ相，fcc晶粒中保留的退火孪晶也阻碍了位错滑移。相比之下，断裂的RAA合金除了在耦合的fcc/L1 ₂ 晶粒中积累了大量的位错外，还表现出大量的纳米SF网络（图4D）。

图4：加载后断裂RA和RAA MEAs的变形微观组织表征。

总的来说，本文建立了一种具有分层有序强化相的强韧性Ni2CoFeV MEA。该策略有效地降低了纯有序结构中的晶间断裂风险。独特的多重变形机制有助于提升应变硬化能力和延展性。本文的工作通过在无序基体中引入多主元素有序金属间相，提供了一种设计高性能HEAs/MEAs的策略，在Co-Fe-Ni-V体系中展现出广阔的应用前景。

他，「国家级青年人才」，26岁博士毕业，29岁211教授，34岁副院长，联手「国家杰青」发表最新Sci. Adv.！

正文

请到「今天看啥」查看全文