教科书里介绍的材料强化方法(固溶强化、细晶强化、第二相析出强化等等),可以将材料的屈服强度提高至GPa水平。然而,强化后的金属加工硬化率(应力—应变曲线的斜率)通常不升反降,使得拉伸时易发生严重的变形局域化,塑性大幅降低。只有当加工硬化率与流变应力保持相当时(例如,同时维持在GPa),金属才能在拉伸过程中稳定地均匀变形。然而这极难在高强度金属大应变时实现。
多主元合金为解决上述“强度—塑性相互掣肘”难题提供了新的机遇。多主元合金是以高构型熵为设计理念的一类金属,通常由3种以上的元素以接近等原子比混合组成,又称为高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)。HEA的高浓度组分带来了从亚纳米到约十纳米尺度上的化学不均匀性,包括化学成分起伏、局域化学序以及丰富的“界面”。位错需要穿过不同组分、不同化学有序度的纳米级局部区域,能量不断起伏。因此,位错线受到额外阻力,导致其波浪状地向前运动。此种类型的位错运动需要更高的驱动应力,使得合金的强度得以明显提升。与此同时,在缺陷的动态演化方面,上述减缓的位错运动会促进位错的相遇、缠结、反应和增殖。大量局部区域的低层错能也使得在拉伸变形过程中很容易产生层错、孪晶以及相变层。这些在变形中不断积累的缺陷和细化了的微观组织,使材料在高流变应力下仍保持足够高的加工硬化率,从而提高均匀拉伸塑性乃至总延伸率(图1)。
以上见解可以解释图1中总结的最新数据:许多高熵合金同时实现了高强度与高塑性,并正向着“既有高强度合金的GPa级屈服强度、又有可与单质金属媲美的大延伸率”(即图中右上角)的方向扩展。这一思路于2月14号以《利用高熵合金中的化学不均匀性同时实现高强度高塑性》“Chemical inhomogeneities in high-entropy alloys help mitigate the strength-ductility trade-off”为题发表在国际顶级综述期刊Progress in Materials Science (IF=37.4)。美高梅mgm1888公司官网金属材料强度国家重点实验室材料创新设计中心(CAID) 为论文唯一单位。马恩教授为此综述的第一作者,马恩教授与刘畅教授为共同通讯作者。全文及所附支持材料,见 https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101252
图1 金属合金的拉伸屈服强度 versus延伸率 (拉伸塑性)。浅蓝色区代表传统金属;粉红色区域代表纳米异构金属;黄色区中的高熵合金(不同颜色代表不同晶体结构的HEAs)有效地助力了高强度高塑性的同时实现: 许多“又强又塑”的新金属材料表现出向着图中右上角方向铺展的明显趋势。而右上角方向代表着人们长期以来追求的目标:“既有高强度合金具有的GPa级屈服强度、又有与单质金属媲美的大(~50%量级)延伸率”。