【欧洲杯线上买球 前线】Scripta Materialia:HfNbTiZr高熵合金的纳米压痕雪崩和位错结构


一、导读

金属的塑性通常是由位错运动来调节的。根据位错线与伯格斯(Burgers)矢量的相互作用角,有两种典型的位错,即刃型位错和螺型位错。对于面心立方金属,刃型位错和螺型位错迁移率相似。而对于体心立方(BCC)金属,由于其独特的三维核心结构和运动高度依赖于温度,并依赖于结对的成核和膨胀,a/2<111>螺型位错滑动远慢于刃型位错。一般而言,螺型位错的滑移需要克服一个高能量势垒,而刃型位错则需要克服一个高能量势垒BCC金属。

对于BCC高熵合金(HEAs),由多种合金元素引起的较大晶格畸变和化学浓度波动使得位错运动不同于普通BCC金属。清楚地认识BCC HEAs中独特的位错行为是理解和调整其可塑性的先决条件。近年来,人们对BCC HEAs中的位错行为进行了研究。结果表明,HEAs的浓度波动可以固定位错并促进BCC HEAs中位错的交叉滑移,这被认为是其高延展性的关键原因。HEAs的局部成分波动对刃型位错和螺型位错的扩展都起着双重固定作用。在低载荷作用下位错迁移率较低,而在高载荷作用下,螺型位错和刃型位错均能快速移动。HEAs中每个低阶滑移面之间的滑动阻力间隙小有利于产生多个滑移面和提高变形能力。HEAs中的浓度波有助于室温下自发的扭结对成核,因此扭结对的成核不再是螺型位错运动的限制因素,而扭结的膨胀和交叉扭结的失效才是限制因素。但现在仍未定论,也缺乏关键的实验证据。

纳米压痕是研究金属中位错的形核、运动和演变的有效方法。纯金属纳米压痕的应变爆发通常发生在弹性加载结束时,其特征是位错的形核和滑移。FeCoCrMnNi的初始塑性表明位错的成核是多原子协同运动的结果。仔细研究了MoNbTi压痕下的位错结构,发现了高阶滑移面的萌生和边缘位错的残留。然而,由于化学成分的波动和高度的晶格畸变,BCC HEAs纳米压痕中的应变爆发被认为是不可能的。

二、成果掠影

近日,西安交通大学韩卫忠教授用高温纳米压痕研究了难熔HfNbTiZr HEA的塑性。当负载达到某一临界值时,会发生异常的纳米压痕雪崩。在高载荷作用下位错滑动能力增强,产生了雪崩。此外,HEAs中螺型位错与边缘位错的相对迁移率随温度的增加而增加,但与简单的BCC金属相比,它对温度的依赖性较小。

相关研究工作以“Nanoindentation avalanches and dislocation structures in HfNbTiZr high entropy alloy”为题发表在国际顶级期刊Scripta Materialia上。

三、核心创新点

1.研究对难熔HfNbTiZr高熵合金进行了高温纳米压痕实验,研究了其独特的位错行为。当载荷达到临界值10mn,超过合金弹性极限时,就会发生异常的纳米压缩雪崩。雪崩时试样压痕下的塑性区深度较深,并随着试验温度的升高而继续加深。

2.大部分混合位错是在纳米压痕后形成的,而不是像普通难熔金属那样形成长螺型位错。纳米压痕雪崩是由一组通常缓慢的位错突然运动引起的,由于局部化学波动和较大的晶格畸变,位错的迁移率很低。这些结果表明,体心立方高熵合金的位错迁移率具有较弱的温度依赖性。

四、数据概览

图1 HfNbTiZr合金的纳米压痕。(a)初始晶粒方位图。纳米压痕是在中间的大晶粒中进行的。(b)在不同测试温度下,使用低负荷Berkovich压头试件的载荷-位移曲线和压痕形貌。(c)室温高负荷锥形压头下试样的载荷-位移曲线。© 2023 Acta Materialia Inc.

图2 (a) 20℃处形成雪崩压痕下方位错结构。(b-d)三种不同衍射g矢量下区1的位错结构。(e-g)三种不同衍射g矢量下区2的位错结构。© 2023 Acta Materialia Inc.

图3 (a)在300℃处形成雪崩的压痕下位错结构。(b-d)三种不同衍射g矢量下区1的位错结构。(e-g)三种不同衍射g矢量下区2位错结构。© 2023 Acta Materialia Inc.

图4 (a) 3个试样的塑性区深度: 20℃有雪崩,200℃无雪崩,300℃有雪崩。(b) HfNbTiZr, Fe和W中螺型位错与边缘位错的相对迁移率随温度的变化。(c-e)基于HfNbTiZr中位错的弓形确定螺型位错与边缘位错的相对迁移率。© 2023 Acta Materialia Inc.

五、成果启示

综上所述,当临界载荷达到10 mn时,HfNbTiZr HEA的纳米压痕会发生不寻常的雪崩现象,这通常源于高载荷下缓慢的位错的快速突然运动。HfNbTiZr HEA具有较高的螺型-边缘位错速度比和较高的横向滑移倾向,从而表现出优异的变形能力。

原文详情:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223000374

本文由张熙熙供稿。

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