【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】金屬材料的“脆性”是工程應(yīng)用的“大敵”。在鋼鐵、高溫合金、鋁合金等傳統(tǒng)材料中，不合理的熱處理往往誘發(fā)材料脆化，如回火脆性和中溫時(shí)效脆性，其典型特征是在狹窄溫區(qū)內(nèi)韌性顯著下降，嚴(yán)重威脅工程結(jié)構(gòu)的安全服役。
 

　　傳統(tǒng)合金的中溫(回火)脆性研究已持續(xù)百年，其機(jī)制主要?dú)w因于晶界弱化。經(jīng)典理論認(rèn)為，雜質(zhì)元素(如S、Bi、P、As等)在晶界偏聚，以及粗大晶界析出相的形成，顯著降低了晶界內(nèi)聚力，使晶界成為裂紋萌生與擴(kuò)展的“薄弱環(huán)節(jié)”。
 

　　近年來(lái)，高熵合金(多主元合金)因其獨(dú)特的成分和性能備受關(guān)注。一個(gè)重要問(wèn)題是，其復(fù)雜的成分和特殊的熱動(dòng)力學(xué)行為是否會(huì)引發(fā)類似的甚至更復(fù)雜的脆化行為？揭示其熱響應(yīng)規(guī)律和機(jī)制，對(duì)高熵合金的熱處理工藝優(yōu)化和工程應(yīng)用具有重要意義。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所李殿中院士和孫明月研究員團(tuán)隊(duì)在高熵合金體系中發(fā)現(xiàn)了類似鋼中“回火脆性”的“韌-脆-韌”轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，并厘清高熵合金中溫脆化的成因并非傳統(tǒng)的晶界效應(yīng)，而是源自于局部有序結(jié)構(gòu)和相界的動(dòng)態(tài)演變，拓展了對(duì)傳統(tǒng)回火脆性經(jīng)典理論的認(rèn)知。相關(guān)成果以“Aging-Induced Ductile-Brittle-Ductile Transition in High-Entropy Alloys and its Implications”為題，發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》(Advanced Science)雜志上。孫明月研究員和謝碧君博士為論文的共同通訊作者，博士研究生代乾寧為第一作者。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多尺度表征、第一性原理計(jì)算及深入分析，系統(tǒng)揭示了高熵合金的“韌-脆-韌”轉(zhuǎn)變機(jī)制。1)L12過(guò)有序+鋸齒狀相界的協(xié)同脆化：研究表明，中溫時(shí)效誘導(dǎo)L12發(fā)生過(guò)有序化，同時(shí)形成鋸齒狀的B2/FCC(L12)相界。一方面，L12過(guò)有序?qū)е赂叨染钟蚧钠矫婊茙?；另一方面，鋸齒狀的非共格相界嚴(yán)重阻礙位錯(cuò)跨越界面滑移，導(dǎo)致界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)高度局域化的平面滑移帶沖擊這些滑移傳遞不利的相界面時(shí)，局部應(yīng)力迅速超過(guò)B2相的斷裂極限，誘發(fā)脆性斷裂。2)L12有序度降低+韌性過(guò)渡界面的協(xié)同韌化：在非脆性溫度區(qū)間時(shí)效時(shí)，高擴(kuò)散能力使得L12有序度降低，激活多滑移與交滑移，顯著提升合金的均勻變形能力。更關(guān)鍵的是，鋸齒狀界面轉(zhuǎn)變?yōu)槠交缑妫⒃贐2/FCC(L12)相界附近形成富Cr析出相缺失區(qū)(CRPs-free zone)。該區(qū)域內(nèi)的富Cr相(CRPs)在熱作用下溶解消失，形成韌性過(guò)渡區(qū)，使B2相邊緣與FCC(L12)基體的變形能力更為匹配，有效緩解界面應(yīng)力集中。從而顯著抑制局域變形和脆性開(kāi)裂傾向，展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)塑性。
 

　　該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院等項(xiàng)目的資助。
 

圖1. 時(shí)效高熵合金力學(xué)性能及相界結(jié)構(gòu)
 

圖2. 高熵合金“韌-脆-韌”轉(zhuǎn)變不同階段的L12 domain結(jié)構(gòu)
 

圖3. 高熵合金局部化學(xué)有序的APT表征及第一性原理計(jì)算
 

圖4. 高熵合金變形機(jī)制和斷裂行為
 

圖5. 高熵合金局部化學(xué)有序-相界協(xié)同機(jī)制