通訊單位：上海大學、馬克斯-普朗克鋼鐵研究所、北京科技大學在人造延展性材料中，裂紋等微損傷能夠顯著影響惡化材料的使用壽命，骨頭等（生物）復合材料含有多級微結構，這種微結構對裂紋等損傷具有容忍能力，但是無法實現較高的拉伸塑性。有鑒于此，上海大學鐘云波教授團隊聯合北京科技大學王沿東教授團隊，在“共晶魚骨高熵合金的多級裂紋緩沖效應及其輔助的超高塑韌性”方面取得重大進展，凝固合成了具有定向生長微結構的共晶高熵合金材料，其表現出超優的抗裂紋能力和高的延伸率。這種共晶高熵材料的定向微結構表現為多級的魚骨形紋理，這種多級結構能夠對裂紋的生長、擴展起到很好的鈍化阻礙效應，起到模仿生物骨質結構對裂紋的優異緩沖效果。這項工作從成核和生長角度出發，為調控低形變能力的組織發展穩定性、持久性和晶體學性的多重微裂紋提供了經驗，有助于改善組織結構中的不可控微裂紋等問題。機理研究發現：在這種多級的共晶魚骨結構中，相鄰高韌性組織的動態應變硬化響應可以誘導多級的裂紋緩沖效應，因此有效地避免裂紋不可控的災難性生長和破壞。實現了超高的拉伸延伸率（50%），這個數值是目前不具有裂紋緩沖能力共晶高熵材料的3倍。這項研究成果中，上海大學為第一署名單位，上海大學鐘云波教授、德國馬克斯-普朗克研究所D. Rabbe教授和北京科技大學的王沿東教授為共同通訊作者，鐘云波教授指導的上海大學18級博士生時培建為第一作者。近年來，上海大學鐘云波教授團隊已在高熵合金研究方向發表了多篇高水平的原創科研論文：1、發現共晶高熵合金特有的雙相層狀結構能夠觸發顯著的異質變形誘導的強硬化去改善力學性能。Peijian Shi et al. Enhanced strength–ductility synergy in ultrafine-grained eutectic high-entropy alloys by inheriting microstructural lamellae. Nature Communications 2019, 10, 489. https://www.nature.com/articles/s41467-019-08460-22、創新性地將多類型形變納米孿晶與多尺度異質變形硬化效應多重耦合，開發出一種順序激活的多階段應變硬化機制。
Peijian Shi et al. Multistage work hardening assisted by multi-type twinning in ultrafine-grained heterostructural eutectic high-entropy alloys. Materials Today 2020, 41, 62-71
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.029
當載荷無法在材料的彈塑性變形中彌散消除時，材料中將形成裂紋，這種現象可能導致工程部件不可控的過早斷裂失效，因此可能產生嚴重的危及人們生命和財產的后果。一些具有多級結構的材料，比如骨頭，表現出非常好的抗裂紋作用，但是這種材料通常無法承受較高的拉伸變形。在人造材料中，較高密度的裂紋將造成材料過早斷裂。一些人造延展性材料具有一定程度的抗裂紋效果，但是其抗裂紋能力相對非常有限。作者發現多級共晶魚骨結構的高熵合金能夠解決高密度裂紋和大延展性之間“水火不容”的矛盾。共晶高熵合金材料是近年來發展的一類由多種金屬元素組成的天然復合材料，作者團隊凝固合成了含有多級共晶魚骨結構的高熵合金，能夠在巨大的形變范圍（~25 %）內通過多級的裂紋緩沖作用，防止裂紋的災難性生長和破壞。因此，在形成高密度的裂紋條件中不會損害延展性，反而可以彌補低塑性層片變形性差的缺點，因此導致材料實現了令人驚異的高延展性（~50 %），是常規共晶高熵合金材料延展性的3倍。作者分別通過常規鑄造方法、定向凝固方法凝固合成了Al19Fe20Co20Ni41高熵合金材料，考察和比較延展性的區別。通過掃描電鏡的電子背散射衍射EBSD（Electron backscattering diffraction）對材料的結構與晶體結構分布情況進行表征。進一步的通過HAADF-STEM、同步輻射高能X射線衍射（SHE-XRD）進行晶體結構和分布情況進行深入分析，確定晶體組成僅僅包括面心立方和體心立方，未出現其他晶相。 圖1. 常規鑄造、定向凝固微結構對比 (A-C) 常規鑄造微結構表征 (D-I) 定向凝固微結構表征常規鑄造方法得到的高熵合金材料具有典型的共晶轉變形成的片層狀微結構，組成結構為交替共生的兩相，分別為較軟的面心立方和較高硬度的體心立方結構，而且這種共晶高熵合金晶粒間的層片排列方向是隨機自由的形式；通過定向凝固法合成的共晶高熵合金材料展現出具有定向生長的共晶微結構，其中沿著定向凝固方向形成柱狀晶疇，晶粒的中心呈現平行對齊排列的共晶層片，同時晶界附近具有大量枝狀發散的共晶結構，整個多級結構晶疇都由面心立方晶相和體心立方晶相組成的共晶，這種共晶疇結構與魚骨結構極為相似。作者團隊認為這種結構是一種新穎的多級共晶魚骨結構。作者通過工程應力-應變曲線對這種多級共晶魚骨結構高熵合金的延展性進行表征，發現這種類魚骨的微結構顯著改善了延展性，均勻延伸性提高為3倍，雖然材料中較硬低塑性的體心立方晶相比例達到41 %，仍從常規鑄造方法得到樣品的16 %提高至50 %，而且屈服強度較對比材料提高了150 MPa。該材料的延展性達到了目前廣泛研究的單相五元面心立方高熵合金CoCrFeNiMn的性能。作者團隊將該定向凝固的共晶魚骨高熵合金材料的拉伸性能與其它鑄態共晶、近共晶高熵材料進行對比，驗證了其具有異常優異的力學性能。由于多級共晶魚骨結構誘發的強裂紋緩沖效應，預拋光的試樣表面分布著高密的、穩定的、沿滑移線晶體性擴展的多重微裂紋。這些微裂紋主要分布在低塑性的B2硬相層片中，有趣的是不論是在哪種共晶構型中，它們的生長擴展嚴重受到相鄰韌性的L12層片的阻礙和捕捉，因而有效的避免了它們災難性的生長和破壞，防止過早的斷裂失效。 圖4. 共晶魚骨結構高熵合金表面獨特的變形形貌和斷口的韌窩分布Peijian Shi, et al, Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys, Science 2021, 373, 912-918.DOI: 10.1126/science.abf6986https://science.sciencemag.org/content/373/6557/912
