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原来,鱼与熊掌可以兼得!浙大学者破解高熵合金强度和塑性兼得奥秘

发布时间:2019-10-17来源:杭+新闻作者:方秀芬 吴雅兰 柯溢能 卢绍庆0

目前,大多数合金都依然存在同一个关键问题:合金的强度越高,其延展性和韧性却越小,这是“鱼与熊掌不可兼得”的难题。近日,浙江大学电子显微镜中心张泽院士团队的余倩和美国乔治亚理工学院的朱廷、加州大学伯克利分校的Robert. Ritchie合作,从解密高熵合金中元素分布开始着手,揭开了庐山真面目。国际顶级学术期刊《Nature》10月10日在线发表了他们的最新研究成果。

余倩课题组首先通过原子尺度的元素分布表征,揭示了高熵合金多种元素如何固溶在一起的重要疑问。“我们发现了高熵合金中独特的浓度波起伏,相比于传统固溶体合金中在晶格尺度趋于平直的元素浓度波起伏,高熵合金中,即使是CrMnFeCoNi合金也存在各种元素的浓度在晶格间25%到15%的震荡。这样的浓度起伏会带来纳米尺度晶格阻力的震荡和局域层错能的变化。”余倩说。紧接着,通过在保证完全固溶的前提下增加元素间电负性和原子大小的差距,研究人员制备了纳米尺度各种元素浓度起伏在60%到0之间的CrFeCoNiPd合金。

这就好比一堆苹果、梨、橙子,乍一看都差不多,换上一个西瓜,就很显眼了,“把锰换成了钯,晶格调控效应放大了,便于我们‘看清’背后的机理。” 课题组成员丁青青说。

实验发现,在CrFeCoNiPd合金中,钯的加入引起了所有元素浓度波起伏的加剧。由于浓度波的波幅大大增加,室温下材料塑性变形方式从传统的不全位错滑移、全位错滑移、孪晶变形等转变为罕见的大量均匀分布的交滑移为主导的变形方式。同时,原子内应力分布发生变化,引起极小空间尺度的晶格阻力震荡显著加剧,在晶格中造出来丘陵的地貌,这是大量交滑移出现的本质原因,也使得材料的力学性能与CrMnFeCoNi合金相比,在保证相当水平的塑性变形能力的情况下,强度显著提高。

“准确认识高熵合金中高强塑性背后的本征原因将帮助我们揭秘高效的强韧化机理,有利于材料性能优化设计和高性能合金的研发。” 余倩介绍,高熵合金强度与塑性兼得的特点以及优良的低温性能,在未来航空、南北极等对温度要求严苛的材料制备上大有可为,同时在防撞领域上也有重要应用。


杭+新闻2019年10月10日