郭宁副教授课题组在梯度结构中熵合金研究中取得新进展

xiaoshanxiao

金属材料非常适合用作结构部件，因为它们具有优良的机械强度、良好的韧性以及出色的抗疲劳能力。传统上，合金设计方法在很大程度上依赖于经验方法，这些方法主要阐述化学、工艺路线和性能之间的关系。近年来，以等摩尔或接近等摩尔的成分混合多种元素来形成“多主合金”，也被称为 “高熵合金”（High-entropy alloys, HEA）的出现为合金设计和开发开辟了新途径。研究表明，HEA具有优异的强度和塑性匹配、高硬度和耐磨性、和良好的耐腐蚀性，具有优异综合性能的理想结构和功能集成材料属性，引起了全球广泛关注。
       HEA的早期研究始于单相面心立方（FCC）结构，该结构显示出优越的机械性能，并且由于多个主要元素而增强。近年来，在HEA基础上衍生出的含有三或四种主元合金的中熵合金（medium entropy alloys, MEA）同样具有优异的综合性能。先前的研究表明，尽管以CrCoNi为代表的MEA中的合金元素数量少于CrMnFeCoNi等HEA，但CrCoNi合金具有更好的低温机械性能，并且由于其低堆垛层错，非常适合于晶体缺陷工程研究。尽管HEA和MEA具有许多优异的性能，但到目前为止，它们尚未在工业中广泛使用。因此，HEA和MEA的推广和应用是重要的研究方向。除了不断尝试改变元素类型和元素含量以改变微观结构以进一步提高HEA或MEA的性能外，还必须探索一些低成本和高性能的处理技术。
       针对上述问题，郭宁副教授课题组和中国钢铁研究院以及重庆理工大学等单位合作，将简单的塑性加工方式——室温和液氮温度下的扭转变形运用到单相面心立方结构的CrCoNi中熵合金中。作为简单的塑性变形，扭转加工被认为在优化结构和改善机械性能方面具有某些优势。这是因为与拉伸或压缩相比，扭剪可以获得更大的塑性应变而没有断裂或应变局部化。扭转的固有应变和应变率梯度会导致处理后的样品具有梯度微观结构，从而可以克服强度和延展性的权衡难题。同时，扭转变形通常不会引起样品形状或大小的变化，并且将扭转和拉伸或挤压结合起来可以获得更高的塑性应变累积，从而进一步细化结构并增强强度。在这项研究中，制备了（CrCoNi）97Al1.5Ti1.5 的MEA，然后分别在室温和液氮温度下通过自由端扭转变形而扭曲。仔细研究了扭剪对组织，硬度和拉伸性能的影响。研究了扭转过程中扭转程度，扭转温度与微观的变形孪晶，位错以及宏观的强韧性之间的关系。其成果以：“Microstructure and mechanical properties of (CrCoNi)97Al1.5Ti1.5 medium entropy alloy twisted by free-end-torsion at room and cryogenic temperatures”为题发表在金属材料领域TOP类期刊《Material Science and Engineering: A》上，西南大学为该论文的第一完成单位、通讯作者单位，硕士研究生赵迎龙为该论文第二作者，金属功能团队成员郭宁副教授、宋波副教授、郭胜锋教授为共同作者。

不同温度/角度扭转加工后(CrCoNi)97Al1.5Ti1.5 MEA显微硬度和拉伸性能

EBSD结果显示液氮温度下扭转(CrCoNi)97Al1.5Ti1.5 MEA孪晶界向普通大角度界面的转变

       结果表明，在低温扭转过程中，MEA具有较高的转矩和较小的扭转角。扭转过程中的变形机理主要是位错滑移，早扭转加工的样品中形成了从核到表面逐渐增加的梯度位错和层状位错亚结构。令人意想不到的是，随着扭转变形的进行，样品表层孪晶含量显著降低，特别是在室温或液氮温度下扭曲但扭转角较小时。本研究认为孪晶的减少与Al和Ti的添加、孪晶的临界剪切应力以及扭转变形的独特应变状态有关。扭转加工的MEA具有显微硬度的梯度分布，扭转可以以延展性为代价有效地提高MEA的拉伸强度。
      该研究工作得到中央高校基本业务费项目、重庆市大学生创新创业项目和西南大学实验室设备改造项目的资助。
      论文链接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140101


       文章来源：西南大学
       郭宁，男，江苏徐州人，中共党员，西南大学材料与能源学部副教授。主要研究方向：钢铁材料（形变微观组织结构表征、形变微观机理及力学行为等）；金属塑性加工过程中组织结构与织构控制技术。