高熵合金韧化新发现——变形诱导非晶化
2021-06-03 来源：GS_Metals
图1 超细晶Cantor合金（晶粒尺寸~500nm）中裂纹尖端附近的微观组织 A：非晶态；C：晶态。
研究人员用高分辨透射电镜对条带状结构进行了进一步分析，如图2所示。在条带状区域，非晶带和晶带交替分布，平均宽度分别为~1.7nm和2.3nm。晶带墙之间的取向差不超过1°，在非晶带和晶带的界面附近存在一些位错。在图1（A）中的非晶区域、点状区域和条带状区域均没有明显的元素变化，说明Cantor合金中晶态向非晶态的转变不会造成裂纹尖端处元素分布的明显变化。
图2 条带状结构的HRTEM表征，其中1,2,3,4是四个晶体带。
图3 裂纹尖端处晶态向非晶态转变的动态过程，展示了非晶态区域的不断增加。
在粗晶Cantor合金中，晶态纳米桥的形成会阻碍裂纹扩展，提供非本征的韧化机制。在本工作中，研究人员在粗晶样品（晶粒尺寸~10μm）中观察到了面心立方结构的纳米桥，如图4（A）所示。然而，在超细晶样品中，裂纹尖端后方的纳米桥为非晶态。裂纹的扩展会伴随着裂纹表面纳米桥的拉长和断裂。除了非晶态纳米桥，在裂纹尖端后方也观察到了位错的产生，如图5（B）所示。非晶态纳米桥的形成和断裂以及晶态区的位错都会耗散能量，提高样品的韧性。和粗晶样品中的晶态纳米桥相比，非晶态纳米桥的边缘和任何晶体学面都不平行。
图4 粗晶Cantor合金（晶粒尺寸~10μm）裂纹尖端后方的晶态纳米桥。
图5 超细晶Cantor合金裂纹尖端后方的非晶态纳米桥。
研究人员用二元Cu-Al合金构建面心立方随机固溶体模型，用来研究合金元素对裂纹尖端位错塑性和固态非晶化的影响。图6给出了Cu-10 at.%Al二元模型合金裂纹尖端非晶化的分子动力学模拟结果。当拉伸载荷增加时，不全位错首先从裂纹尖端处产生（图6（A））；随后大量的位错在裂纹尖端处的不同滑移面上产生（图6（B））。然而，由于高的晶格阻力限制了位错运动，大量位错在裂纹尖端处堆积。高密度的缠结位错之间的相互作用造成了裂纹尖端处晶态向非晶态的转变。而且，载荷的增加会引发非晶态薄膜局部变形量的增加，造成裂纹尖端处纳米空洞的产生（图6（C, I））。纳米空洞的形核、扩展和结合促进了裂纹的扩展。值得注意的，非晶态纳米桥形成于裂纹尾迹处（图6（F, J））。除了位错塑性和晶态向非晶态的转变外，非晶态纳米桥的形成和拉长也会阻碍裂纹扩展，提高样品的韧性。分子动力学模拟表明，高熵合金中强烈的原子结合力在位错介导非晶化机制中发挥着重要作用。
图6 Cu-10 at.%Al二元模型合金裂纹尖端非晶化的分子动力学模拟结果。
本工作在超细晶Cantor合金中发现了变形诱导晶态向非晶态的相变现象。裂纹尖端处高的应力以及晶格和晶界对位错强烈的阻碍作用引发了位错的大量堆积，导致了固态非晶化，进而造成了能量耗散并阻止裂纹扩展。裂纹尾迹处纳米非晶桥的形成进一步阻碍了裂纹的扩展。非晶化和非晶纳米桥的形成对裂纹扩展的阻碍作用可以用来韧化超细晶高熵合金！
