浙大最新 Nature | 解碼高熵合金既強又韌的關鍵“基因”
2019-10-10 09:33:47 作者:本網整理 來源:浙江大學學術委員會 分享至:

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▲ 共同第一作者:Qingqing Ding, Yin Zhang, Xiao Chen;共同通訊作者:Ting Zhu, Robert O. Ritchie, Qian Yu

 

DOI:10.1038/s41586-019-1617-1


高熵合金(HEA)是合金家族近年來出現的新成員,因其獨特而優越的性能而廣受科學界關注。自它誕生之日起,一個問題就始終伴隨左右:高熵合金的本質是什么?最新的科學研究發現,與傳統合金相比,高熵合金內部的各元素分布存在明顯的濃度起伏,這對它的高強塑性起到了決定性作用。


在相關論文Tuning element distribution, structure and properties by composition in high-entropy alloys (《高熵合金成分調控下的元素分布、微結構和性能》)2019年10月10日在Nature雜志發表。這是科學界首次在實驗上解析高熵合金中的元素分布規律。學界認為,調控濃度波將成為一種普適性的方法,幫助人們高效地尋找到更優秀的合金材料。


這項研究是由浙江大學電子顯微鏡中心張澤院士團隊的余倩和美國喬治亞理工學院的 Ting Zhu、加州大學伯克利分校的 Robert. Ritchie 等合作完成的。共同第一作者為浙大材料與工程學院丁青青博士。

  

 

強韌之源——濃度波


人類制造合金的歷史由來已久,盛行商周時期的青銅器,就是以銅為主的銅錫合金;鋁中加入少量的鎂和硅,就是制造鋁合金門窗的材料。可以看到,傳統的合金都以一種主材唱“主角”,含量超過50%。而高熵合金與眾不同,它是由多種元素以近乎等比例的配比混合而成,沒有“主角”“配角”之分,那么這是否意味著全新的性能?


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圖:生活中常見的傳統合金材料(圖片來源:網絡)


許多人知道,包括合金在內的絕大多數材料在低溫下會脆化,即塑性顯著降低甚至完全無塑性。例如將一塊橡膠放入液氮,它就變得像玻璃一樣一敲即碎。2014年,論文合作者之一Robert. Ritchie教授與橡樹嶺國家實驗室的Easo George教授共同發現了一種由鐵、錳、鎳、鈷、鉻組成的高熵合金(CrMnFeCoNi)在零下200℃的液氮溫度附近反而展現出更好的塑性,這一神奇的性能震動了學術界,也激發著許多科學家去尋找它天賦異稟的“基因。”


在浙江大學電鏡中心,丁青青嘗試用透射電鏡去觀察CrMnFeCoNi合金內部各種元素的分布。研究發現,高熵合金存在一種特別的現象:構成它各種元素的濃度在晶格間存在25%到15%的震蕩。“而在傳統固溶體合金體系中,因為只有一種主材,元素分布的濃度在晶格尺度是基本平直的。”余倩說。


這種濃度震蕩意味著什么?能否把震蕩“放大”來研究?研究團隊提出,“濃度波”將是研究高熵合金性能的特有的突破點。于是,他們創造性地將CrMnFeCoNi合金中的錳替換為鈀。余倩解釋,CrMnFeCoNi合金的組成元素在元素周期表上都為鄰近元素,它們的電負性、原子半徑、原子序數等差異不大,很難對其進行進一步辨別,而“個頭”相對較大的鈀,將改變原有的元素分布格局,讓科學家更容易觀察到其中的分布變化。


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圖:CrFeCoNiPd合金中的五種組成元素的分布情況


強韌之基—大量交滑移


在合金材料的內部,原子呈周期性規律排布,如果某些地方丟失或多出了幾個原子,形成局部的缺陷,科學家稱之為位錯。在外力作用下,金屬容易在缺陷部位發生斷裂,而在一定的應力范圍下,位錯會沿著一個方向滑移,讓材料具有塑性變形的能力,宏觀體現為韌性。


“這里有一對矛盾:高強度要求位錯不容易動,韌性又要求位錯容易動。所以大部分材料沒法做到強度與韌性兼得,而高熵合金則一種矛盾統一的神奇存在。”余倩介紹,研究團隊通過一組“拉伸”實驗來探究其中的奧妙。


在電鏡下,科學家捕捉到了高熵合金中位錯移動的獨特方式。在較大的內部應力下,材料發生了位錯塞積,許多個位錯在某處“停滯”不前,從而進一步導致高密度的交滑移、二次交滑移。“位錯滑移的路線從原來平直的‘高速公路’,轉變為布滿崎嶇的鄉間小道。”余倩指出,正是元素分布呈劇烈的濃度波動,讓材料內部產生了大量的交滑移,位錯保持持續的、微小的運動,較大應力因此化解為微小的作用力,從而賦予材料又強又韌的性能。


“這是我們首次在實驗中觀測到高熵合金的交滑移現象,這種現象在室溫下非常罕見,通常位錯交滑移常發生于高溫形變。”丁青青說。這原來就是高熵合金強韌兼備的關鍵機制。通過測試,擁有較大濃度波起伏的CrFeCoNiPd合金與CrMnFeCoNi相比,在保證相當水平的塑性變形能力的情況下,強度提高了50%。


余倩說,材料通過均勻分布的交滑移來提升強韌性的現象,是繼傳統的不全位錯滑移、全位錯滑移、孿晶變形之后,發現的一種全新的塑性變形方式。 


尋找更優材料


高熵合金是一個被科學界給予厚望的領域,許多極端、嚴苛的應用場景,都等待這種合金去發揮獨特作用。但是,這一領域既充滿想象空間,又讓人望而生畏。原因在于其廣闊的可能性。有人打過比方,如果從60余種商業合金中常見的元素中選出5種進行排列組合,組合數目將有1040種,如果各個元素之間的成分稍有微調,那么可能性將繼續增長。


擺在科學家面前的問題是:我們怎樣高效地找到優秀的材料?“我們意識到,只有認識了高熵合金的本質,破解決定它性能的關鍵‘基因’,才能對它進行有效的調控。”余倩說。


在這項研究中,科學家們構建起了從原子、到微觀結構再到宏觀性能的系統化研究,他們建立了用濃度波調控強韌性的機制,并成功實現了材料強韌化的提高,改善了材料性能。“我們認為,這種方法不僅在高熵合金中適用,也可以運用到其他合金體系中。”余倩說。

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