针对强韧性匹配优异的跨尺度晶粒异构中熵合金,进行了在广温域 (4.2 K–373 K)冲击加载条件下的裂尖塑性区微结构演化和裂纹扩展行为研究。结果表明,异构在经受低温冲击变形时,其内部形成了高密度变形纳米孪晶多级结构,孪晶层片平均间距10 nm,显著提高应变硬化能力,抑制裂纹的萌生和非稳态扩展。进而,高密度多级孪晶结构诱导裂纹尖端的多重剪切带分叉形成,耗散了变形能 (图2b)。更为重要的是,研究发现了剪切带的自增韧机制,即剪切带内部和外部均形成了高密度的变形纳米孪晶,不仅提高了剪切带的应变硬化能力,还显著阻挡并抑制剪切带的扩展,从而增加了冲击吸收功 (图2c),导致创纪录高的夏比冲击韧性,即异构中熵合金在液氦温度 (4.2 K) 时冲击功高达340 J,在液氮温度 (77 K) 为380 J,室温 (298 K) 为520 J (图2c)。据此,该研究提出利用变形纳米孪晶提高韧性的异构策略,为新型高性能金属结构材料的设计提供理论依据。
相关研究结果发表于Scripta Materialia以及Materials Science and Engineering上。上述研究工作得到了中科院战略性先导科技专项(B类)、科学技术部重点研发计划纳米专项以及国家自然科学基金的资助。
图1 宏观多层异构钢的优异动态力学性能及其微观机制(a) 高应变速率(5×104 s–1)剪切性能; (b) 剪切带萌生/扩展行为;(c) 剪应变位错协调机制
图2 跨尺度晶粒异构CrCoNi中熵合金的裂尖剪切带韧化行为和优异冲击韧性(a) 跨尺度晶粒异构; (b) 剪切带–孪晶交互作用; (c) 冲击韧性(AK)–测试温度关系