北理工&西安交大《Nature》大子刊：促变形均匀化的塑性提升机制
导读：均匀拉伸延展(UTD)对结构材料的成形/加工性能至关重要。通常，平面滑移引起的狭窄变形带使塑性应变局部化，从而阻碍了UTD，特别是在体心立方(bcc)多主元高熵合金(HEAs)中，通常表现出早期缩颈(UTD < 5%)。本文展示了一种在Ti-Zr-V-Nb-Al bcc HEA中定制平面滑移带的策略，实现了25%的UTD和近50%的延伸失效，同时提供KMPa的屈服强度。HEAs不仅能增强B2-like local chemical order (LCO)，使其分散平面滑移，还能在变形诱导的LCO破坏时产生过量的晶格畸变，从而促进弹性应变和引起动态硬化。这促使第二代平面滑移带从第一代带分支出来，有效地将塑性流扩散到样品中。此外，大量的条带经常交叉，以维持足够的加工硬化速率(WHR)到大应变。该策略将原本不受欢迎的变形模式转变为优势，使bccHEAs的屈服强度和UTD具有不同寻常的协同作用。
多主元素高/中熵合金（H/MEA）大大扩展了合金设计范围和机械或功能性能的可能性领域。该领域最近的焦点已转向体心立方（bcc）HEA，因为这些HEA通常基于难熔金属，并且可能为高温应用提供优越的性能。虽然bcc HEAs的特征是KMPa屈服强度，但由于颈缩的早期开始，它们通常具有较低的均匀拉伸延展性（UTD），限制了它们的加工和成形潜力。
在可以调整以改变H/MEA延展性的微观结构特征中，局部化学顺序（LCOs）是一个没有受到太多关注的特征。对于H/MEA，人们更经常争论的是LCOs是否可以提高强度，因为LCOs引起的畸变可能会阻碍位错运动，甚至导致位错捕获。关于LCOs的延展性效应，结果尚未得出结论，因为具有LCOs的H/MEA可以显示出比没有LCOs的情况更好或更差的延展性。更一般地说，以前的冶金知识并不认为LCOs是提高延展性的一种方法，因为当位错反复滑过LCOs时，LCOs会逐渐被破坏，从而降低后续位错的滑动阻力。这种“滑面软化”促进了平面滑动模式。位错很少从平面滑移带中交叉滑移，导致带内位错积累的快速饱和。这导致了骤降加工硬化率（WHR）和高应力集中，因此可以降低UTD。由于塑性变形局限于狭窄的高密度位错壁（HDDWs）中，bcc-HEAs的UTD和断裂伸长率通常分别限制在不超过5%和20%，大大低于其组成元素金属的约30%和50%。目前尚不确定在何种情况下，LCO引发的平面滑移带的不利作用可以扭转，从而有助于调解而不是降低延性。
在此，北京理工大学材料学院薛云飞教授联合西安交通大学材料创新设计中心马恩教授提出利用化学局域有序（LCOs，大小在1nm尺度）与晶格畸变场的动态演化和交互作用调控平面滑移带的学术思想。以Ti-Zr-V-Nb-Al体系BCC高熵合金为研究模型，辅以适当的热处理工艺，平面滑移（planar slip）诱导变形局域化这一削弱拉伸塑性的机制转变为“多级”平面滑移促进变形均匀化的塑性提升机制。相关研究成果以题“Tailoring planar slip to achieve pure-metal like ductility in body-centred-cubic multi-principal element alloys”发表在材料顶刊Nature Materials上。
链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01517-0?utm_source=xmol&utm_medium=affiliate&utm_content=meta&utm_campaign=DDCN_1_GL01_metadata#citeas
以Ti50Zr18Nb15V12Al5（T50）HEAs作为模型合金，因为其中两种成分Zr和Al显示出大的原子尺寸失配和大的负混合焓。这些特征被用来提供明显程度的LCOs和晶格畸变。T50 HEA在700°C下重结晶?，然后进行水淬火（WQ-T50）。由于老化处理有望提高LCOs，部分WQ-T50在300℃时老化?°C持续7?天，随后进行炉冷却（时效-T50）。同步辐射X射线衍射（SXRD）光谱（图1a）和电子背散射衍射（EBSD）图像证明，WQ-和aged-T50s都是单相bcc固溶体，具有16.5?μm平均尺寸。配对分布函数结果揭示了WQ-和年龄-T50之间的协调环境差异，这可能是由于LCOs的增加。正如从LCO的强化作用中所预期的那样，纳米压痕测试表明，时效-T50比WQ-T50硬9%。
为了直接观察T50中的LCOs，在像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）实验中，在[110]区轴下获得了选区电子衍射（SAED）图案和晶格图像。如图1b所示，在老化T50s的SAED中的{001}和{111}位置观察到扩散的额外圆盘，表明化学顺序增加或增加。图1c，d显示了两种合金原子结构的高角度环形暗场（HAADF）图像。与SAED结果一致，老化T50s的快速傅立叶变换（FFT）模式也表现出额外的圆盘（图1c（i）），这在WQ-T50s中并不明显（图1d（i）。来自这些额外圆盘的逆FFT（IFFT）图像表明由于老化处理LCOs区域的面积分数增加（图1c（ii）-（iv）与1d（ii）–（iv）相比），从6.7%增加到12.9%（图1g）。使用几何相位分析（GPA）29绘制出相应的原子应变图（图1e，f）。应变分布的统计结果如图所示。1h。老化-T50s中的原子应变比WQ-T50s中的原子应力更低且更均匀，表明随着LCOs的加入，晶格畸变减少。
图1 老化HEAs与WQ-T50 HEAs原子结构差异。
a，老化HEAs和WQ-T50 HEAs的SXRD曲线，均为单相bcc晶格结构。b，[110]区域轴下两个HEAs的SAED图。沿着橙色虚线的归一化衍射数据绘制在右侧面板上。橙色箭头标记了LCOs产生的额外圆盘({001}和{111})的位置。c,d，老化- (c)和WQ (d)的原子结构形态。c(i)和d(i)为两个hea的HAADF晶格图像，插图为对应的FFT图案，黄色实圈标记LCOs产生的多余圆盘，蓝色实圈标记bcc矩阵的Braggs斑点。c(ii)和d(ii)为两个HEAs中额外圆盘获得的IFFT图像;几个有代表性的LCO区域用黄色圆圈标记出来，[001]区域轴下的结果见补充图7)。c(iii)和d(iii)是由bcc Braggs斑点获得的IFFT图像，显示了bcc格子。c(iv)和d(iv)为对应LCO和bcc IFFT图像叠加后的图像。c(iv)中的插图显示LCO区域的特写视图;叠加方法15产生了强度对比，突出了{001}平面上排列的额外LCO(黄色虚线)。dbcc是标准bcc格子中{001}平面的间距，dLCO是额外的LCO对应的间距。e,f，老化的- (e)和WQ-T50 HEAs (f)的原子应变映射([002]方向的法向应变)。g，两个HEAs中LCOs区域的面积分式。h，原子应变映射得到的统计分布。红色和蓝色曲线分别是老化和WQ-T50的原子应变概率密度结果的高斯拟合。每条曲线的半最大全宽(FWHM)表示相应样品中原子应变的波动程度。
图2 WQ-和老化t50 HEAs的拉伸性能，与以往的bcc合金作了比较。
a，工程应力-应变曲线。εA?EU和εWQ?EU标志着均匀的工程应变。b, WQ-和老化T50HEA的WHR与真应变曲线以及真应力-应变曲线。εA?TU是εWQ?TU的2倍。c,d, T50 HEAs与其他bcc合金比较的屈服强度与均匀延伸率图(c)和屈服强度与延伸至失效图(d);马氏体时效、DP、低碳钢;β钛合金;V合金和Nb合金。从工程应力-应变曲线中提取了均匀拉伸应变值和总拉伸延性值。
图3 老化T50 HEA塑性变形过程中的组织演变。
a,b,d, f-h，应变分别为2.5%，5%，9%，15%，30%和断裂(~47%)时老化t50s的STEM图像。c,e，分别是b和d中黄色点框区域的放大图像。d,e，位错实际上是在狭窄的二代通道中，由于TEM成像中观察/倾斜角度的原因，位错呈铺展形态。d中的红箭头表示第二代通道交叉处的位错缠结。e中的蓝色箭头表示第一代通道上的位错堆积。i，在不同应变下发生明显塑性变形的面积分数F(%)。误差条是平均值(n=5)的标准偏差。实线是数据点的logistic(一种常见的生长函数)曲线拟合结果。
图4T50HEA塑性变形时的结构-性能演化。
a,b，应变为5%时效T50中位错通道内外的原子结构。a(i)，b(i)，两个观测区域的HAADF晶格图像，插图为对应的FFT模式，黄色圆圈标记LCOs引起的漫反射盘。a(ii)，b(ii)，从两个观测区域的漫射盘获得的IFFT图像;几个LCO区域用黄色圆圈标记。a(iii)，b(iii)，两个观测区域的原子弹性应变映射([002]方向的法向应变)。c,d, LCO区域的面积分数(c)和弹性应变统计结果(d)。c中的误差条为平均值(n = 5)的标准差。d中的洋红色和青色曲线分别为通道内外微观结构的原子应变概率密度结果的高斯拟合结果。FWHM，全宽在一半最大。e, TiZr0.65Nb0.28 MD模型的晶格畸变和Ti-Zr Warren-Cowley参数(绝对值，||δTi?Zr||)(从左至右分别为MC600K、MC1000K、MC1400K和RSS)。f，位错运动的阻力系数，由位错速度与螺旋位错剪应力斜率的倒数确定。
总之，该策略在某种意义上类似于金属玻璃领域所追求的剪切带增殖以提高塑性。此外，大量的温和和小剪切带是提供可控塑性流动的首选，而大剪切带或严重剪切带则会破坏延性。事实上，能带增殖策略更适合于HEA晶体，因为(1)HEA具有明确的滑移面和滑移体系以及可观测和可调谐的LCOs，为能带增殖提供了充足的位置;(2)该体系的HEA平面带并不是那么严重，并且固有地具有微观结构加工硬化能力，因此它们不会迅速失去稳定性而引发过早的灾难破坏。这两个因素在成熟的金属玻璃剪切带中是不存在的。因此，该策略在变形离域化方面特别有效，这样即使bcc HEA在KMPa应力下屈服，它们的拉伸延伸率仍然可以与通常预期的纯金属一样高。