西北工业大学塑性顶刊：高熵合金在极端单轴拉伸下的反常硬化和非晶化！
导读：关于新兴的高熵合金（HEAs），通过极端荷载前提下的简单拉伸，深进研究了差别塑形阶段的力学响应与微看机造之间的对应关系；发现了一系列新的塑性机造，包罗脱孪生诱导的局限化、纳米标准的相变和共生非晶化，在极端动态拉伸的过程中，跟着应变的增加，包罗孪晶、脱孪晶诱导的部分化、纳米标准体心立方(BCC)相变和共生非晶化一系列机造被逐渐激活，从而促进塑性的继续开展。当应变超越35%时，孪晶界障碍了局域带的传布，BCC相释放出更多的位错以至配合招致了硬化的第二次急剧上升。此外，在晶体向非晶化改变的过程中，塑性不竭进步，那可能是因为在超密位错区存在严峻的晶格畸变。那些全新机造的深进显示有助于理解HEAs在极端荷载感化下的塑性和非晶化。
在过往的二十年里，因为其超卓的机械性能，高熵合金（HEA）引起了极大的存眷。特殊是关于一些极端荷载利用，如空间摸索、液化气体贮存、超导安装和核反响堆等，高浓缩液量在许多工业范畴都表示出了浩荡的前景。例如，在低温温度下，许多尝试成果表白，与传统金属和合金比拟，具有面心立方（FCC）晶体构造的HEA表示出优良的延展性和断裂韧性。HEA的超卓延展性回功于优良的位错存储才能，因而具有很强的应变硬化，那使它们可以连结平均的塑性变形。此外，低温温度下更高的强度有助于激活大量的变形孪晶，那进一步促进了位错的贮存。Gludovatz等人起首显示了液氮温度（LNT）下从位错滑移到变形孪生的改变，介绍了持续不变的应变硬化。强大的硬化才能能够有效地按捺部分可塑性，从而进步耐损伤性。除了硬化效应外，纳米孪桥还障碍了裂纹的传布，以至充任裂纹外表之间的纳米桥梁，以延迟断裂。除了变形孪生外，原位低温TEM应变尝试进一步显示了多种可塑性机造的并发操做，如穿插滑移、与位错和晶界彼此感化相关的多滑动，能够停止那些HEA的强度和延展性的显著组合。此外，关于FCC HEAs，当在低温温度下施加足够大的应变时，在孪晶界还呈现了一些六角形封锁（HCP）层压板。它们被认为长短共面位错的有效障碍，也进步了硬化才能。
除了温度外，应变率是影响素材机械性能的另一个次要因素。在低温温度下，继续的塑料活动凡是需要增加施加应力，同样，在高应变率下，FCC HEA的正应变率灵敏性能够显著加强强度。因而，动态加载还促进了大规模堆叠毛病（SF）、纳米孪生和相变成HCP层的呈现。我们之前的工做表白，SF的彼此感化招致的Lomer-Cottrell（L-C）位错锁为强应变硬化做出了浩荡奉献。寡所周知，更强的硬化才能凡是是来自那些平面缺陷或锁对位错滑翔的障碍感化。与此同时，因为原子标准的短程团簇位错的声子挈曳效应，FCC HEA经常表示出显著的应变率灵敏性。因而，跟着加载速度的进步，FCC HEA经常同时表示出强度和延展性的加强，人们认为它们具有庇护动态负载的超卓才能，那次要是因为超卓的应变硬化和适度的热软化。在更极端的加载前提下，例如液氦温度下的动态碰击，据报导，大量次生孪晶不竭嵌进中熵合金（CrCoNi）的初级孪晶中，因而多阶纳米孪晶之间的彼此感化成为另一种有效的硬化机造。此外，在某些含有超密集纳米双胍的区域，部分变形带似乎具有更大的可塑性，那意味着纳米孪晶可能已经到达了调剂变形的更大才能。与此同时，部分带前部的双鸿沟也障碍了它们的传布，那也促成了那种合金的另一种有效硬化机造。
到目前为行，关于FCC HEA来说，特殊的机械性能凡是回因于变形孪晶的发作或在低温温度或动态载荷下的陪伴相变。当在低温冲击前提下加载时，一些部分带发作在孪生区域内，以进一步适应可塑性和耗散施加的机械能。那让人思疑那些FCC HEA中能否存在更多新的机造来加强可塑性和硬化才能。比来，关于具有超高强度的等原子Cantor合金，停止了动态强迫剪切变形，以研究其可塑性机造。尝试成果表白，晶体到无定形的过渡发作在超密集SF和纳米孪生沿着{111}平面坐标传布的高度变形区域。那种非晶变过渡为消失施加的应变能量供给了新的路子，并有效地释放了在六边形包的交汇处构成的大应力。因而，那种先辈的HEA比大大都传统构造素材具有更高的应变能量吸收。事实上，那些非晶相位也存在于双孪生交点的第四级HEA中，那里的缺陷在很大水平上是高压和剪切应力下积存的。那意味着非晶变过渡和晶体缺陷（如固有SF和纳米孪生）之间存在必然的相关性。扭曲的六岛屿或扩展带的前体。此外，在那种康托尔HEA的原位应变过程中，FCC非晶跃迁也被捕获到高集中应力的裂纹尖端。它被回因于高晶格摩擦和晶界抗位错滑翔形成的超高位错密度。错位的积存关于促进非晶过渡至关重要，在差别的变形形式下，应该有各类潜在机造来产生极高的位错密度。虽然如斯，完全理解非晶位点或带在复杂变外形态下对机械行为的影响仍是很难的。
在此，西北工业大学科研团队在低至77K的温度下对单相FCC HEA停止动态单轴张力，以研究其在极端荷载下的机械响应和响应的机造。更恶劣的荷载前提能够促进该HEA中更复杂的机造，以连结更高的强度和更好的可塑性。在大型扩展应变中，能够激活一些新的机造来进一步进步其硬化和塑性才能，包罗由往孪生引起的部分化变形带，色散纳米体中心立方（BCC）相的发作，以及与位错密度敏捷增加招致的严峻晶格变形相关的进一步非晶变过渡。简而言之，那项研究强调了一种新的非晶化过渡过程，从FCC到BCC的优先相变起头。纳米级BCC相四周新位错源的激活促进了位错的纠缠和积存，最末招致沿剪切标的目的的变形。相关研究功效以题“Abnormal hardening and amorphization in an FCC high entropy alloy under extreme uniaxial tension”颁发在International Journal of Plasticity上。
链接：
图1 具有FCC晶体构造的单相Al0.1CrCoFeNi HEA的初始微看构造。(a).展现晶粒尺寸和描摹的EBSD绘图;(b).展现在拉伸变形前收到的Al0.1CoCrFeNi HEA中位错的亮场TEM图像;(c).合金的x射线衍射成果，所有的峰都是从FCC相标识表记标帜的。
图2 Al0.1CoCrFeNi HEA在各类加载前提下的典型力学反响。（a）工程应力应变曲线展现，在高速和低温温度下加载时，强度和延展性同时增加。（b）实正的应力应变曲线和工做硬化率跟着应变的增加而演变。在那张图片中，该HEA的估量临界孪生应力范畴由黄色条区域表达，黑色程度虚线对应于均匀应力。因而，将差别加载前提下的应变硬化曲线分为几个阶段。
图3 在常规前提下单轴张力和Al0.1CoCrFeNi HEA特定应变的极端载荷后，微看构造特征。（a）和（b），在室温下准静态（10−3 s-1）和动态（4.5×103 s−1）张力后，在根本变形的颗粒中只看察到高密度的位错位收集。（c）和（d），在77 K的准静态张力后，呈现了一些变形孪晶，SAD形式和暗场TEM图像展现了纳米孪生的构成。（e）和（f），典型的亮场TEM图像展现，当HEA试样动态（4.5×103 s−1）拉伸到77 K（g）和（h）的应变约为35%，高辨认率TEM图像清晰地展现了纳米孪晶的形态。曲方图展现了纳米孪晶宽度的散布。
图4 在极强耦合前提下，FCC HEA中纳米孪晶的高密度以及位错和双鸿沟之间的彼此感化。（a）-（d）。跟着应变增加到约35%，在77K的动态张力后，看察到位错和孪生鸿沟之间的彼此感化。（a）中的插停顿示了虚线矩形区域的放大图像。（b）的HRTEM图像展现了扭结型孪生鸿沟，双鸿沟四周存在高密度的位错和堆叠毛病。(c)中的IFFT图像展现双鸿沟上有两次部门位错，并伴随两个堆叠毛病。图（d）是沿着双鸿沟完全脱位。（e）和（f）。在77 K的动态张力到失效后，在一些根本变形的颗粒中，双鸿沟四周的位错堆积招致了往孪生和部分变形带（DB）的构成。SAD形式表白，（e）中的亮线是纳米孪晶。（g）和（h）。高倍率暗场图像展现了位错和孪生鸿沟之间的彼此感化及高密度变形孪晶区域呈现剪切带。
图5 在第三阶段（a）的可塑性期间，从FCC矩阵到BCC和非晶构造的相变。TEM看测了邻接非晶带的纳米级BCC相。（b）和（c）。FFT图案和IFFT图像展现了因为纳米级BCC相的呈现及其在非晶带四周的设置装备摆设而产生的额外黑点（用红色箭头表达）。HRTEM图像展现了非晶带两侧的一些SF，以及指示无定形带四周的BCC集群的嵌进式FFT图案。（e）和（f）。放大倍率更高的HRTEM和IFFT图像展现BCC集群发出的位错对，以及显然位错四周的晶格失实变得愈加严峻。（g）。沿着[110]区轴拍摄的亮场TEM图像展现，在77 K（h）处动态张力断裂后，一些颗粒内有丰富的纳米非晶带。HRTEM图像展现了宽度为数十纳米的纳米非晶带，从非晶带和基量获得的嵌进式FFT图案别离表白非晶构造和衍射点的分布射光晕。（i）。越位表别离展现了无定形带和FCC矩阵内元素内容的差别，展现大大都元素的内容没有改变。
图6 高辨认率TEM无定形带在晶粒中的扩展和传布
图7 在大规模MD模仿中，具有FCC晶体构造的单相Al0.1CrCoFeNi HEA中具有FCC晶体构造的纳米BCC相的构成机造。（a）和（b）MD模仿获得的中高应变率应力应变曲线，以及变形早期阶段MD模子中各类原子的分数。（c）在5×109 s−1的张力模仿中差别应变从FCC基量到纳米BCC集群的相变更。
图8 在大规模MD模仿中，该FCC HEA在动态张力下的非晶变更机造。（a）和（b），原子模仿（MD）以5×109 s-1的应变速度得出，表白，当施加大应变时，沿剪切标的目的呈现无定形带。在图（a）中，灰色原子的非晶区域以黑色虚线标识表记标帜，而绿色和粉红色原子别离代表FCC和HCP相。（c）和（d），给出了模仿样品中位错的散布。差别汉堡矢量的位错由图像右侧指定的差别颜色区分。如虚线所示，在无定形区域没有看察到位错。（e），在张力期间，每品种型的晶格原子的特定部门以差别的应变速度进化。（f），部分区域势能的演变阐了然在变形过程中以各类加载速度的响应微标准机造的差别。
图9 位错类型对那种Al0.1CoCrFeNi HEA的变形过程的影响。（a）和（b），差别类型位错的演变，在中等和高应变率下应变的增加。比拟之下，在较高的应变率下，会呈现更多的不动位错。（c）和（d），原子和位错构造的演变展现了BCC团簇四周位错的发射及其彼此感化对SSA发作的影响。
图10 跟着拉伸实应力增加而构成的变形形式的示企图与FCC Al0.1CoCrFeNi合金的典型应力应变曲线有关
总之，我们通过深进的微看看察和原子模仿，足够显示了那种HEA的可塑性和硬化机造，特殊是一些以纳米级相或非晶形式的特殊相变，那些相变在极端加载前提下做为塑性变形的替代路子。那些发现为难以变形情况中素材的塑性变形供给了物理观点。跟着研究更恶劣的情况，包罗在某些通俗前提下或可塑性早期阶段的位错、堆叠毛病和纳米孪晶，高应变率或低温温度对触发复杂塑性机造的协同效应。一般来说，那些机造一路工做，在张力变形期间能够实现持久的不变可塑性。那次要是因为更严厉的加载前提招致压力程度更高。
来源：素材学网