《Science Advances》报道我校材料学院纳米异构材料中心团队最新研究进展

2024-05-30来源:材料科学与工程学院/格莱特研究院作者:顾雷审核人:曾海波编辑:曹佳音阅读:229

近日,南京理工大学材料学院纳米异构材料中心团队在高强韧多主元中熵合金设计研究方向取得新进展,在《Science Advances》上发表了题为《Ultrastrong and ductile medium-entropy alloys via hierarchical ordering》的研究论文。我校材料学院博士生顾雷为论文第一作者,陈翔教授和赵永好教授为共同通讯作者,南京理工大学为第一完成和通讯单位。

 全文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7553

 金属结构材料的高强度和高塑性通常不可兼得,存在互斥关系,如何同时获得超高强度和良好塑性一直是金属结构材料领域最受关注的重大难题。近年来,多主元中、高熵合金作为一种新兴的合金设计理念,不同于以往以一种元素作为主元的传统合金,极大地激发了对优异综合性能组合的探索研究。利用中、高熵合金成分复杂性引入各类析出相能有效提高其强度,但是有序-无序转变得到的大部分析出相会大幅度牺牲其塑性,甚至导致脆性。这是由于长程有序相与对应的无序相相比具有更低的晶体对称性和更强的原子键合力。价电子浓度作为决定有序相晶体结构的关键物理参数,会显著影响其本征的力学性能。上世纪八十年代,科学家发现通过宏观合金化来降低有序金属间化合物的价电子浓度,可以实现晶体结构从低对称性的有序三方结构向有序六方结构转变,最终转变为高对称性的有序立方结构,从而改善其塑性(Science 1984, 226, 636–642)。目前,完全有序的中、高熵合金在室温下表现出较低的屈服强度,且容易受到晶间脆化的影响导致塑性较差。

 面对上述挑战,纳米异构材料中心团队研究人员提出分级有序相强韧化新理念,通过分级有序化在单相面心立方结构Ni2CoFeV中熵合金中逐步引入三方晶体结构的κ有序相和立方结构的L12有序相来同时实现超高强度和优异塑性。添加过量Ni元素主要目的:一是稳定基体面心立方相,二是增加合金整体的价电子浓度,从而增强中温下κ相析出的驱动力。由于Ni-V,Co-V原子对之间具有较负的混合焓,导致Co,Ni,V原子之间存在较强的相互作用,从而形成了由不同成分组成的分级有序相弥散分布在无序fcc基体中(图1),最终使合金具有GPa级屈服强度和超过1.6 GPa的抗拉强度,同时在室温下保持了30%的优异塑性(图2)。微观结构表征揭示了在三相Ni2CoFeV中熵合金内同时激活多种变形机制,增强变形过程中的加工硬化能力,延迟拉伸颈缩失稳,从而获得优异的塑性。

图1. Ni2CoFeV中熵合金热处理后的微观结构及其示意图。

 

图2. 不同工艺制备的Ni2CoFeV中熵合金的力学性能。

上述工作得到了国家自然科学基金重大研究计划重点项目、江苏省前沿技术基础研究重大项目等资金支持。