2月22日，《Physical Review Letters》在線發(fā)表了浙江大學(xué)劉嘉斌副教授與王宏濤教授及德國(guó)馬普鋼鐵研究所DierkRaabe教授的合作研究成果“Nonbasal slip systems enable a strong and ductile hexagonal-close-packed high-entropy phase”。
Mg、Ti等HCP金屬具有獨(dú)特的物理化學(xué)力學(xué)性能，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和國(guó)民社會(huì)經(jīng)濟(jì)上具有重要地位。尤其是Mg以其地球儲(chǔ)量豐富、輕質(zhì)高強(qiáng)性質(zhì)被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的工程材料。然而與面心立方和體心立方結(jié)構(gòu)的金屬相比，傳統(tǒng)HCP金屬滑移系較少，其塑性較差，極大地限制了生產(chǎn)加工制造。HCP金屬所能開(kāi)啟的滑移系與其晶體結(jié)構(gòu)的軸比密切相關(guān)，對(duì)于軸比較大的金屬如Mg、Zn等，其內(nèi)部位錯(cuò)主要在基面上滑移；而對(duì)于軸比較小的金屬如Ti、Zr等，其內(nèi)部位錯(cuò)主要在柱面上滑移。這種位錯(cuò)單一地在基面或者柱面上的滑移難以實(shí)現(xiàn)材料的均勻塑性變形。調(diào)控HCP金屬的軸比以激活錐面位錯(cuò)滑移是獲得高性能HCP金屬的關(guān)鍵。已有研究表明，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪厥钦{(diào)控HCP軸比的有效方法。傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)中溶質(zhì)濃度有限，因此軸比的調(diào)控范圍較小。高熵合金設(shè)計(jì)思路打破了傳統(tǒng)合金單一主元束縛，含有多種主要元素，其合金元素濃度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)合金，顯著拓展了HCP軸比的調(diào)控范圍。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金中HCP 相表現(xiàn)出很好的塑性變形能力，X射線衍射結(jié)果表明該HCP相的軸比顯著低于理論值。通過(guò)透射電子顯微鏡原位拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該HCP相在變形過(guò)程中錐面滑移系的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)活躍。基于大量的透射電子顯微鏡表征，統(tǒng)計(jì)出該HCP相中包含高達(dá)31%的非基面位錯(cuò)。
基于該合金設(shè)計(jì)方法，有望運(yùn)用高熵合金思路對(duì)傳統(tǒng)HCP金屬進(jìn)行軸比的大幅調(diào)整，開(kāi)發(fā)出高韌性高成型能力的新型HCP合金。
圖1. 原位透射電子顯微鏡表征表明HCP相中的非基面位錯(cuò)滑移被激活。
圖2. 非原位透射電子顯微鏡表征表明HCP相中存在大量非基面位錯(cuò)。
圖3. 通過(guò)與傳統(tǒng)鎂、鈦合金的比較，表明高熵HCP相因其含高溶質(zhì)濃度使得軸比得到大幅調(diào)整處在能夠激發(fā)多滑移系的區(qū)域。
我院博士生卜葉強(qiáng)和馬普鋼鐵研究所李志明博士為共同第一作者，我院劉嘉斌副教授、浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心王宏濤教授和馬普鋼鐵研究所DierkRaabe教授為共同通訊作者，共同作者還有交叉力學(xué)中心的楊衛(wèi)院士。
本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)基金的資助。
原文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.075502
