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卢磊,又双叒发science!
学研汇 技术中心 纳米人 2023-09-25

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特别说明:本文由学研汇技术 中心原创撰写,旨在分享相关科研知识。因学识有限,难免有所疏漏和错误,请读者批判性阅读,也恳请大方之家批评指正。
原创丨彤心未泯(学研汇 技术中心)
编辑丨风云

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研究背景

应变硬化是一种从青铜时代起就被广泛使用的强化金属材料的策略。传统上,应变硬化是由于晶体晶格中典型的线性缺陷,而这反过来又会逐渐降低位错的运动能力。因此,为了产生附加变形,需要施加更大的应力。一般而言,软粗晶( cg )金属具有最大的应变硬化程度和最好的拉伸塑性。

关键问题

然而,应变硬化的提高仍存在以下问题:
1、高强度材料不可避免会降低应变硬化能力
传统的材料强化方法,无论是通过改变成分还是改变分级微结构,都是基于通过在晶格中引入各种缺陷来阻碍位错运动的基本原理,但不可避免地恶化了应变硬化能力。
2、大幅提高高强度金属材料的应变硬化性能是材料科学中最棘手问题之一
含有块状晶界(gbs)和含有高密度位错的严重变形材料具有显著提高的强度,但表现出显著降低的应变硬化和有限的均匀延展性,应变硬化使流动应变局部化,提高拉伸延展性,并抑制灾难性的机械失效,因此,亟需提高材料应变硬化性能。
3、低温应变梯度硬化只能保持在小塑性应变阶段
降低变形温度可以提高应变硬化,含有梯度、双峰晶粒尺寸、多相等的工程空间异质纳米结构可以表现出额外的应变硬化,然而,观察到的应变梯度硬化往往只在小塑性应变阶段(<5 %)保持。

新思路

有鉴于此,中科院金属研究所卢磊等人报道了一种具有梯度位错晶胞的稳定单相合金,该合金在77开尔文的实验条件下,在整个变形阶段表现出超越粗晶合金的应变硬化率。这种异常的应变硬化源于大量多取向的微小堆垛层错(平面缺陷)的发射和运动,这与传统的线性位错介导的变形有本质区别,这是一种独特的动态结构细化机制。原子尺度的平面变形-断裂在塑性变形中的主导地位为金属材料的强化和硬化提供了一种独特的方法,具有优异的性能和潜在的应用。
          
技术方案:
1、形成并表征了梯度位错结构
作者通过在室温下使用循环扭转处理,获得样品级分层gds结构,梯度位错结构导致了明显的显微硬度梯度分布。
2、探究了样品在77 k时的应变硬化能力
作者在77 k下观察到gds样品具有显著提高的强度和塑性,并表明该样品在77 k下具有优异的强度-应变硬化协同作用。
3、解析了gds样品低温下的表层组织演变
作者通过中断77 k下早期塑性阶段和后期塑性阶段的拉伸测试解析了gds上表面的微观结构演变,表明在低温下超细sfs和tbs的存在表明平面界面缺陷密度极高。
4、研究了gds和cg合金在77 k拉伸后sf概率和位错密度的演变
作者通过sxrd表明,在相同应变下,在77 k时更容易形成sf和孪晶,理论计算表明,纳米间隔的sf界面能够像纳米级tb和gb一样有效地阻碍位错运动,进而导致高应变硬化性能。

技术优势:
1、发现了梯度超细尺度位错晶胞结构(gds)在室温下激活平层层错
作者发现在单相al0.1cocrfeni mpe合金中,循环扭转诱导的gds在室温下激活了大量的平行层错(sfs),这些sfs具有高强度和可观的拉伸塑性。
2、实现了高强度下的应变硬化
作者探究了gds是否可以在低温下有效地触发堆垛层错来提高即使在高强度下的应变硬化,发现了大量多取向的微小堆垛层错(平面缺陷)的发射和运动,获得了超越粗晶合金的应变硬化率。

技术细节
梯度位错结构
原始的cg al0.1cocrfeni mpe合金样品具有随机取向的晶粒,通过在室温下使用循环扭转(ct)处理,获得样品级分层gds结构,晶粒尺寸和形貌都没有变化。tem表征证实,在晶粒最顶层普遍形成了大量的等轴位错晶胞。相比之下,在中间的晶粒中普遍检测到单个位错和相关的松散位错缠结。梯度位错结构导致了明显的显微硬度梯度分布:从最表面的3.7 gpa逐渐降低到0.45 mm深处的3.1 gpa和样品中心区域的2.2 gpa,远大于无位错的cg(~1.7 gpa)。

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图  梯度位错结构(gds)合金的典型微观组织

77 k时的应变硬化能力
应力-应变曲线结果表明,当温度从293 k降低到77 k时,gds样品具有显著提高的强度和塑性,与单相fcc金属和mpe合金体系相似。块体gds样品在77 k下的真实屈服强度约为0.7 gpa,其真实极限抗拉强度超过1.8 gpa,远高于cg样品。此外,在77k时,gds合金具有较大的应变硬化系数。在77 k下,作者观察到了一个极高gds,甚至在整个塑性变形阶段都高于cg对应物。gds样品中如此高的应变硬化率和延展性表明在77 k应变时存在梯度位错结构固有的不寻常应变硬化机制。进一步地,作者证明了gds样品在77 k下具有优异的强度-应变硬化协同作用。

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图  gds合金在77k下的应变硬化和强度-塑性组合

动态sfed-mosaic诱导应变硬化机制——表层组织演变
为了解析gds在低温下的异常应变硬化机制,作者通过中断77 k下早期塑性阶段和后期塑性阶段的拉伸测试来表征gds上表面的微观结构。在3 %的应变下,位错胞的形状和大小几乎保持不变,在晶粒内部发现了大量不同取向的相互交织片层。在拉伸应变高达40 %时,相互交叉的平面界面显著增殖,并进一步将最表层的微米级晶粒细化为纳米尺度的马赛克似的图案。77 k下超细sfs和tbs的存在表明平面界面缺陷密度极高。

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图  77 k拉伸过程中gds表层组织演变

sf概率和位错密度的演变
拉伸后gds和cg样品sxrd结果表明,在相同应变下,在77 k时更容易形成sf和孪晶。随着拉伸应变的增加,在表面gds层中明显检测到进一步升高的sf/孪晶概率。sxrd剖面分析还显示,77 k下的gds样品中的位错密度要更高。作者认为,通过设计亚稳态超细位错单元,大量多方向微小平面堆垛层错介导动态结构细化的机制,可以同时有效地阻挡和积累位错,并使得77 k时应变硬化率极高。在拉伸应变时,gds中内置的渐进梯度塑性变形功能基本上可以实现应变离域化,并允许丰富的多重sf激活占主导地位。除了sf之外,作者还在更高的拉伸应变下检测到了更多的平面tb。理论计算表明,纳米间隔的sf界面能够像纳米级 tb和gb一样有效地阻碍位错运动。

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图  gds和cg合金在77 k拉伸后sf概率和位错密度的演变

展望

总之,本工作具有梯度位错结构的单相fcc相mpe合金在低温下容易形成极其细化的sfed镶嵌体,从而引发一种不寻常的应变硬化机制,使其具有前所未有的高应变硬化能力,甚至超过了cg合金。与线性位错相比,晶体晶格中潜在的主要原子尺度平面变形断裂活动不仅是晶体塑性的替代和基本载体,而且还诱导了强烈的应变硬化。梯度位错结构和纳米级sfs镶嵌的特征对于从物理冶金角度理解基本的应变硬化机制具有重要意义,并为开发强韧性材料提供了一种前瞻性的思路,特别是在深空和海洋勘探、液化天然气储存、低温物理等广泛的低温应用中。

参考文献:
qingsong pan, et al. atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell–structured alloy. science, 2023.
doi: 10.1126/science.adj3974
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3974
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