高熵合金低温应用的抗断裂.docVIP

高熵合金低温应用的抗断裂 高熵合金构成等原子、多元素体系，这些体系能作为单相结晶，尽管包含不同晶体结构的多元素。关于这个的基本理论是在五元或更多元素的合金中总自由能的构形熵可以稳定多相显微结构的固溶体状态。本文研究五元高熵合金，CrMnFeCoNi，它形成一种单相面心立方固溶体，且揭示出它独特的损伤容限，大约1GPa的抗拉强度和超过200MPa?m1/2的断裂韧性值。再者，实际上它的机械性能在低温下改善了，这是由于连续稳定应变硬化，通过一种从室温下的面滑移位错激活能到随着温度的降低通过机械纳米孪晶的变形的转变。 纯金属对结构应用很少展示机械性能。结果，通过添加合金元素达到预期的显微结构或机械性能结合，例如强度和韧性，尽管产生的合金没有变仍然是单相的主要构成体，例如铁在钢中或镍在高温合金中。此外，许多这样的合金，例如沉积硬化铝合金，依靠第二相来改善机械性能。高熵合金表现出与那些概念彻底的背离。作为等原子、多元素金属体系，它们包括不同晶体结构多元素的高浓度（20-25%），但是作为单相结晶。实际上在许多方面，那些合金呈现出冶金的新领域，关注点远离合金相图的角落朝着它们的中心；我们认为随着这个领域的逐渐成熟，大量吸引人的新材料可能产生。 本文研究的CrMnFeCoNi合金在这点上是一个例子。虽然第一次被确认是在数十年以前，合金从来没有被研究直到近来，尚且从多个观点看这合金是清晰地科学性地让人产生兴趣。为什么一种等原子五元素合金不是很显眼的，其中体心立方结构（Cr，Fe）两种元素结晶，一种作为面心立方（Ni），一种作为密排六方（Co）和一种复杂A12结构（Mn），应该形成一种单相fcc结构。再者，它的几个性能是相当不同于纯fcc金属的。近来研究表明这合金呈现出取决于温度的屈服强度，在室温和低温之间，使人联想起bcc金属和某种fcc固溶体合金。不可思议地，任何取决于温度的应变速率对强度的影响像是微小的。然而，强度增加明显取决于温度，伴随着拉伸韧性随着温度从293K降低到77K而非常显著地增加，这种情况与其他大部分材料相反，其他大部分材料的韧性和强度取决于温度是相反的。初步迹象表明这可能主要是合金高加工硬化性能的结果，可能与形变诱导纳米孪晶相关联，其对高应变起到任何劲缩不稳定性的开始的延迟作用。 把高纯元素初始材料通过电弧熔化且滴铸到横截面是矩形的铜模具中，紧接着在室温下冷锻和滚扎成大约为10mm厚的CrMnFeCoNi合金板。之后，合金再结晶成等轴的晶粒结构。从那些板上切取单轴拉伸试样、紧凑拉伸、CT和断裂韧性试样，试样按照ASTM标准E1820在电子负载机器（EDM）上进行测试。加工程序的细节，试样尺寸和测试方法见补充材料。 图1A呈现出包含许多再结晶孪晶的大约6μm大小晶粒的全部再结晶显微结构的背散色电子显微照片（BSE）。EDX和XRD分别表明合金的等原子元素的分布和单相性质。在室温（293K），干冰/甲醇混合物（200K）和液氮（77K）下测量的单轴应力-应变曲线如图1B所示。随着温度从293K到77K的增加，屈服强度（σy）和抗拉强度（σμ）分别以约85%和约70%增加到759和1280MPa，拉伸韧性（应变失效，εf）相似地以约25%增加到超过0.7，且应变加工指数（n）仍然高达约0.4，导致断裂能量受多于两种因素的影响而明显提高。应力和应变，平均值加上标准偏差，在各种温度下，以及相对应的应变加工指数的更详细总结在补充材料中被给出（表S1）。 图1 CrMnFeCoNi高熵合金（HEA）的显微结构和机械性能。（A）一种等轴大约6μm晶粒大小；成分近似为等原子的，且合金是单相，从EDX和XRD插图所示。（B）屈服强度，σy，抗拉强度，σμ和失效韧性/应变，εf全部随着温度的降低而增加。（曲线是在个别温度下的典型测试，然而误差棒的数据点呈现出平均值和多重测试的标准偏差；准确值如表S1所示。（C）在293K，200K和77K温度下断裂韧性测试分别呈现出217MPa·m1/2，221 MPa·m1/2和219 MPa·m1/2，且抗裂的增加以J积分的形式作为一个裂纹扩展的函数，也就是△a，阻力曲线（R-曲线）行为。（D）相似于奥氏体不锈钢，例如304,316或低温Ni钢，HEA的强度随着温度的降低而增加；然而，其他材料的韧性随着温度的降低而降低（韧性图中的虚线标明了在文献中发现的断裂韧性数据的上限和下限），高熵合金的韧性仍然不变，且通过一些测试在低温下实际上是增加的。 根据这合金的广泛可塑性及变形，使用非线性-弹性断裂机制估计CrMnFeCoNi的断裂韧性，特别地以J积分的形式测量抗裂曲线（R-曲线）。类似于用线弹性分析的应力强度因子K，满足提供的特定有效标准，J独一无二地表征一种非线弹性固体的裂纹尖端附近的应力和位移域；这样是