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2023年11月，北京理工大學材料學院馬兆龍、程興旺課題組近日在異質結構中熵合金研究中取得重要進展。相關研究成果以“Pursuing ultrastrong and ductile medium entropy alloys via architecting nanoprecipitates-enhanced hierarchical heterostructure”為題在國際知名期刊《Acta Materialia》上發(fā)表。博士生郭世康為第一作者，北京理工大學材料學院馬兆龍教授，程興旺教授為論文共同通訊作者，北京理工大學為第一單位。

納米沉淀相強化的中/高熵合金（M/HEAs）具有優(yōu)異的力學性能，有潛力作為新型結構材料投以應用。然而，進一步增強這些材料通常依賴于增加納米沉淀相的體積分數或者引入更硬的金屬間化合物，這不可避免地會犧牲材料延展性。

為了使合金達到更優(yōu)異的強塑性匹配，課題組提出了一種策略，通過在Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅新型中熵合金中構建多重異質結構，在有效提高合金強度的同時保持優(yōu)異的塑性。該異質結構包含了高體積分數的D0₂₂-γ”納米沉淀物、可剪切和不可剪切的金屬間化合物，以及具有異質晶粒結構的低層錯能（SFE）基體。變形過程中，多種組織帶來的協同強化機制，有效的提高了合金的應變硬化能力，實現了1323 MPa/1690 MPa的屈服/極限拉伸強度和29 %的拉伸伸長率的優(yōu)異力學性能。這項研究為通過控制多尺度微觀結構的不均勻性來設計超強韌性金屬材料提供了范例。如圖1所示。為了進一步分析納米析出相和異質結構帶來的協同強化效果，文中將包含不同組織的Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅合金進行對比分析，包括單相合金（SP）、納米沉淀相強化合金（NP）、金屬間化合物+異質晶粒結構合金（IHG）和納米沉淀物+金屬間化合物+異質晶粒結構合金（NPIHG），合金的力學性能和相應組織如圖1所示。

圖1 合金的力學性能以及相應的微觀組織結構

為了進一步對比合金不同組織的協同強化作用，分別對不同組織的Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅合金做循環(huán)加載試驗計算變形過程中合金的非均勻變形誘導應力，結果如圖2所示，包含有多重異質結構的NPIHG合金的非均勻變形誘導應力明顯高于SP、NP和IHG合金。

圖2 合金的非均勻變形誘導應力（hetero-deformation induced (HDI) stress） （a） SP、NP、IHG和NPIHG的加載-卸載-再加載（LUR）循環(huán)拉伸真實應力-應變曲線;（b）圖（a）中陰影區(qū)域中典型磁滯回線的放大圖;（c）SP、NP、IHG和NPIHG合金的HDI應力（σ_HDI）。（d）合金中HDI應力與流變應力之比（σ_HDI/σ_flow）的比較。

圖3對比了所研究合金與已報道的具有不同組織結構的中/高熵合金的力學性能。盡管NPIHG合金的強度低于一些已報道的合金（UTS>2GPa），但由于多重異質結構有效增強了NPIHG合金的加工硬化能力，NPIHG合金表現出目前已報到最優(yōu)的強塑性匹配。合金優(yōu)異的塑性來源于變形過程中不同組織間的協同強化機制，即來自FCC基體的固溶強化，D0₂₂-γ''納米沉淀相的共格強化和有序強化，D0₂₄-η粒子的Orowan強化（位錯繞過），D0₁₉-ε相的位錯切過強化，以及異質晶粒結構的HDI強化。

圖3 合金與其他具有典型微觀組織結構的中/高熵合金的室溫力學性能的比較。（a） 總伸長率與屈服強度（YS）的關系和（b）總伸長率與極限抗拉強度（UTS）的關系。

綜上所示，馬兆龍、程興旺課題組設計了含有多重異質結構的Co₃₀Cr₂₀Ni₄₀V₅Ta₅新型高性能中熵合金，實現了1323MPa/1690MPa的屈服/極限拉伸強度和29%的拉伸延展性的優(yōu)異強度-延展性組合。文章提出的設計具有多尺度異質結構和變形亞結構激活能力的微觀結構的方法可以廣泛應用于許多其他金屬材料，包括先進鋼材、高溫合金和中/高熵合金.

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119492

該研究課題得到了國家自然科學基金項目（51804032、52275309、52331006）、北京理工大學創(chuàng)新人才科技資助專項計劃（2019CX01018）的支持。

附作者介紹：

程興旺，國家級學術領軍人才，卓越青年基金首批獲得者?，F任北京理工大學材料學院黨委書記，沖擊環(huán)境材料技術國家級重點實驗室主任。擔任國家產業(yè)基礎專家委員會委員，教育部高等學校材料類專業(yè)教學指導委員會委員，快速支持機制責任專家，科工局金屬材料專業(yè)組成員、標技委委員，科技部國家重點研發(fā)計劃“十四五”材料領域重點專項實施方案編制專家組成員，中國材料研究學會材料基因組分委會委員，中國兵工學會材料科學與技術專委會委員。長期從事材料動態(tài)力學行為和微結構演化機制等研究工作。獲國家技術發(fā)明二等獎1項，省部級科技進步一等獎1項、二等獎1項，省部級技術發(fā)明一等獎1項、二等獎1項，省部級科技創(chuàng)新團隊獎1項。發(fā)表學術論文200余篇、授權發(fā)明專利40余項，參編專著2部、主編教材1本。

馬兆龍，國家級青年人才計劃入選者，歐盟瑪麗居里學者，曾獲MIT-Imperial Global Fellow、Imperial-CSC獎學金、ICEPT最佳論文獎等獎勵?！疤魬?zhàn)杯”全國一等獎指導教師。主要從事高熵合金、焊料合金、金屬材料凝固與異質形核；新型金屬材料微觀結構與性能表征；EBSD技術拓展與應用等方面的研究。以第一作者在Nat. Commun.、Acta Mater.、Scripta Mater等期刊發(fā)表論文三十余篇。主持自然科學基金、共用技術、領域基金等國家級科研項目多項。Nat. Commun.、Acta Mater、Scripta Mater、J. Alloy Compd.等期刊審稿人。授權國際專利1項，中國專利8項。