通訊作者：Ying Yang, Easo P. George
1. 發(fā)現(xiàn)中熵合金材料的納米沉淀改善合金力學(xué)性能
2. 提出了納米沉淀在合金材料中改善力學(xué)性質(zhì)的多重作用方式
面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)高熵、中熵合金材料具有較高的拉伸延展性、優(yōu)異的韌性，但是此類fcc材料的室溫強(qiáng)度較低，因此在日常應(yīng)用中具有局限性。晶界、孿生邊界、溶質(zhì)原子等位錯(cuò)效應(yīng)，以及沉淀物能夠提高其強(qiáng)度，但是這種位錯(cuò)形成的阻礙能導(dǎo)致延展性降低。同時(shí)有些研究中發(fā)現(xiàn)合金中的沉淀組分有助于抑制晶相轉(zhuǎn)變。有鑒于此，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室Ying Yang、Easo P. George等報(bào)道在沉淀劑強(qiáng)化的Fe-Ni-Al-Ti四元中熵合金材料中，實(shí)現(xiàn)了多種作用之間相互配合實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用。作者發(fā)現(xiàn)，合金中含有納米沉淀除了改善結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，在穿越轉(zhuǎn)化溫度進(jìn)行淬火過程中形成亞穩(wěn)態(tài)fcc結(jié)構(gòu)，抑制合金從面心立方（fcc）奧氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為體心立方（bcc）馬氏體結(jié)構(gòu)的過程。在淬火處理隨后進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)中，材料能夠逐步轉(zhuǎn)化為bcc結(jié)構(gòu)，同時(shí)顯著提高材料的強(qiáng)度、加工硬化、延展性。這種納米沉淀通過沉淀強(qiáng)化、控制相變誘導(dǎo)增強(qiáng)塑性的協(xié)同作用，導(dǎo)致同時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力強(qiáng)度、均勻延展性。本文研究結(jié)果展示了通過精確的調(diào)控沉淀的顆粒大小、間隔實(shí)現(xiàn)協(xié)同變形改善強(qiáng)度和延展性，以及相轉(zhuǎn)變過程中的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力。圖1.合金中的納米沉淀顆粒抑制淬火過程相變（A1：不含納米沉淀的合金，A2：含有納米沉淀的合金）作者設(shè)計(jì)合成了兩種中熵合金材料：A2型中熵合金材料的組成為Fe-32.6Ni-6.1Al-2.9Ti (at%原子比例)，隨后將其進(jìn)行淬火老化處理（1100 ℃加熱并且在700 ℃中老化47 h），命名為FNAT-47h。該合金材料的原子組成為Fe-23Ni-3.5Al-0.5Ti的fcc晶體結(jié)構(gòu)，并且其中含有Ni3Al型沉淀。隨后合成了組成與FNAT-47h主體成分相同的A1型中熵合金材料，命名為FNAT-m-47h，并且進(jìn)行與A2相同的熱處理。A1、A2的合成和淬火老化處理遵循相同的實(shí)驗(yàn)操作過程。作者發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過加熱淬火冷卻至室溫后，F(xiàn)NAT-m-47h合金表現(xiàn)為馬氏體bcc結(jié)構(gòu)；但是含有沉淀相FNAT-47h合金主要為奧氏體fcc結(jié)構(gòu)，含有少量相互分離的bcc區(qū)域。通過相關(guān)表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米沉淀的粒徑為10.4 nm，密度達(dá)到4.3×1022 m-3，F(xiàn)NAT-47h合金中由于存在大量納米沉淀，有效的抑制了fcc轉(zhuǎn)變?yōu)閎cc。這種作用與以往相關(guān)報(bào)道作用不同，之前的相關(guān)報(bào)道中，沉淀通常被設(shè)計(jì)用于增強(qiáng)相轉(zhuǎn)變，而非抑制相變。室溫條件下進(jìn)行應(yīng)力測試比較，發(fā)現(xiàn)FNAT-47h比FNAT-m-47h合金樣品的屈服強(qiáng)度（yield strength）、極限拉伸強(qiáng)度（ultimate tensile strength）、均勻伸長率（uniform elongation）分別高20 %，90 %，300 %。通過中子衍射（Neutron diffraction）測試，提出FNAT-47h樣品中bcc、納米沉淀、fcc的含量分別為0.04、0.28、0.68。通過TEM表征的SAED結(jié)果發(fā)現(xiàn)，fcc結(jié)構(gòu)與納米沉淀界面形成規(guī)則排列界面，fcc結(jié)構(gòu)與納米沉淀的[110]面對應(yīng)，bcc的[100]與fcc結(jié)構(gòu)呈Nishiyama–Wasserman取向關(guān)系。納米沉淀在較大程度熵阻礙了FNAT-47h樣品在淬火過程中由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但是這種抑制作用并不完全是由納米沉淀導(dǎo)致。作者發(fā)現(xiàn)納米沉淀的間距同樣起到對調(diào)節(jié)相變的作用。作者改變老化時(shí)間為4 h，與老化47 h的結(jié)果進(jìn)行對比，在保持整體組成和比例的條件下，老化4 h的樣品中沉淀的數(shù)量濃度為6×1023 m-3，平均粒徑為5.7 nm。同時(shí)FNAT-4 h樣品的平均納米沉淀間距為12 nm，小于FNAT-47h樣品中的30 nm間距。從空間限域角度來看，這種效應(yīng)將有助于抑制晶相的轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了4 h老化的樣品未見bcc相，47 h老化樣品的bcc相含量為~4 vol %。隨后作者考察了FNAT合金材料的塑性形變行為，揭示了其中獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致存在多重變形機(jī)制。通過沉淀的粒徑、沉淀之間的間隔實(shí)現(xiàn)空間限域效應(yīng)，從而導(dǎo)致強(qiáng)化效應(yīng)、相轉(zhuǎn)變過程、相變導(dǎo)致塑性與以往相關(guān)報(bào)道中沉淀用于調(diào)控組成的作用不同。發(fā)展了一種保持材料組成的條件中，調(diào)控納米沉淀的粒徑和間距，從而改變合金的變形機(jī)制。圖2.FNAT中熵合金、高熵合金（HEA）、鋼鐵材料的均勻伸長率-極限抗拉強(qiáng)度性能對比圖FNAT-47h樣品的加工硬化為962 MPa，是相關(guān)報(bào)道(FeCoNi)86Al7Ti7合金材料（440 MPa）的2倍。與目前相關(guān)報(bào)道中相關(guān)高性能高熵合金材料、鋼材料相比，F(xiàn)NAT47h、FNAT-4h樣品的性能具有優(yōu)勢。Yang, Y., Chen, T., Tan, L. et al. Bifunctional nanoprecipitates strengthen and ductilize a medium-entropy alloy. Nature 595, 245–249 (2021).DOI: 10.1038/s41586-021-03607-yhttps://www.nature.com/articles/s41586-021-03607-y
