在人造的上海首篇熵合韌性材料中，一些諸如裂紋之類的大學(xué)多級微觀損傷就能降低材料的服役壽命。像骨骼這類的共骨高生物復(fù)合材料，因其具有精細(xì)的晶魚金多級微結(jié)構(gòu)，可以很好地抵御裂紋，裂紋但卻不具有高的緩沖延展性能。現(xiàn)在，材料有一項(xiàng)研究成功化解了這種互不兼容的上海首篇熵合矛盾。
上海大學(xué)鐘云波教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京科技大學(xué)王沿東教授團(tuán)隊(duì)合作，大學(xué)多級展示了一種定向凝固的共骨高原位復(fù)合材料-共晶高熵合金（EHEA），成功地協(xié)調(diào)了裂紋容限和高延伸率。晶魚金可控凝固后的裂紋共晶高熵材料呈現(xiàn)出一種新型的多級共晶魚骨結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)仿生的緩沖多級裂紋緩沖。這種效應(yīng)結(jié)果誘導(dǎo)了穩(wěn)定、材料持續(xù)、上海首篇熵合沿晶體學(xué)跡線生長的微裂紋，因而在塑性差的共晶層片中形成了高密的多重微裂紋。驚訝的是，相鄰的動(dòng)態(tài)應(yīng)變硬化韌性共晶層片可以施加給這些裂紋一種多級的裂紋緩沖效應(yīng)，因而有效地避免了裂紋不可控的災(zāi)難性生長和破壞。研究的自緩沖共晶魚骨高熵材料產(chǎn)生了超高的均勻拉伸延伸率（約50%），是傳統(tǒng)不具備緩沖能力EHEAs的3倍，且沒有犧牲強(qiáng)度。
這項(xiàng)成果以題為“Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys”發(fā)表在了Science。上海大學(xué)為第一署名單位，上海大學(xué)鐘云波教授、德國馬克斯-普朗克研究所D. Rabbe教授和北京科技大學(xué)的王沿東教授為共同通訊作者，鐘云波教授指導(dǎo)的上海大學(xué)18級博士生時(shí)培建為第一作者。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 多級的的共晶類魚骨微結(jié)構(gòu)
(A-C) 傳統(tǒng)鑄造的EHEA作為參考材料。(A) SEM背散射電子圖像。(B）電子背散射衍射（EBSD）相圖（左）和反極圖（IPF）（右）。(C) 傳統(tǒng)鑄造EHEA的微結(jié)構(gòu)示意圖。
(D-I）定向凝固的EHEA展現(xiàn)出多級的共晶魚骨結(jié)構(gòu)。（D）和（E）中的黑色箭頭表示定向凝固DS方向，也是圖2A中的拉伸加載方向。(D) SEM背散射電子圖像顯示，定向凝固結(jié)構(gòu)是由柱狀晶粒組成的。晶粒邊界由黑色虛線標(biāo)記。(E) 放大的EBSD相圖和IPF圖，顯示柱狀晶粒由AEC和BEC組成。黑色實(shí)線和虛線分別標(biāo)記晶粒和菌落的邊界。
(F-I）分別是凝固的這種多級類魚骨結(jié)構(gòu)的示意圖和它的形成原理。(G) B2和L12相的HAADF-STEM圖像和相關(guān)SAED圖。HAADF-STEM圖像顯示了干凈的雙相層片。(H) B2和L12相的SHE-XRD表征。
圖2 環(huán)境溫度下的拉伸響應(yīng)
(A) 與傳統(tǒng)鑄造的EHEA相比，定向凝固的魚骨EHEA的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，顯示了均勻拉伸延展性的大幅增加，而強(qiáng)度沒有任何降低。定向凝固的魚骨EHEA沒有后均勻延伸率（即頸縮）。試樣是被沿著DS方向進(jìn)行拉伸加載。插圖顯示了相應(yīng)的應(yīng)變-硬化曲線。MDIH和MBIH分別指多重平面滑移位錯(cuò)誘導(dǎo)的硬化和微帶誘導(dǎo)的硬化。
(B) 與之前報(bào)道的鑄態(tài)共晶和近共晶HEAs的力學(xué)性能相比，定向凝固的魚骨EHEAs展現(xiàn)出異常優(yōu)異的強(qiáng)塑性結(jié)合。(N-)EHEAs是指共晶和近共晶HEAs。傳統(tǒng)的（N-）EHEAs包括直接鑄造和電弧熔煉的共晶和近共晶HEAs。
圖3 共晶魚骨結(jié)構(gòu)激發(fā)的多級裂紋緩沖效應(yīng)
(A-C) SEM背散射電子圖像顯示了從軟BEC到強(qiáng)AEC的順序激活的滑移線。(B)中的插圖顯示了放大的交叉滑移線。
(D) SEM圖像顯示了相鄰柱狀晶粒之間的協(xié)調(diào)變形，沒有晶粒邊界開裂。黑色實(shí)線和虛線分別標(biāo)志著晶粒和菌落的邊界。
(E-H) AEC中控制良好的微裂紋演變。插圖（上圖，放大；下圖，示意圖）說明了動(dòng)態(tài)的微裂紋演變。
(I) 基于EBSD的圖像質(zhì)量（IQ）和含有核心平均錯(cuò)位（KAM）疊加的IQ圖。
(J) AEC中微裂縫長度、微裂縫密度和補(bǔ)償應(yīng)變的演變。第I至第III階段分別對應(yīng)于25-30%、30-40%和40-50%的拉伸應(yīng)變。數(shù)據(jù)是平均值±SD。
(K)多級裂紋緩沖效應(yīng)的原理示意圖。
圖4 L12韌性共晶層片承載響應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)和微觀力學(xué)研究
(A-B) L12和B2層片的平面滑移位錯(cuò)。
(C) L12薄片中變形引起的微帶。
(D,E) 動(dòng)態(tài)滑移帶細(xì)化[(D)和(E)，頂部]的HAADF-STEM圖和新的滑移帶和交叉滑移的位錯(cuò)，分別由紅線和黃色箭頭標(biāo)記[（E），底部]。
(F) 變形引起的微帶。環(huán)狀SAED圖案（插圖）表明這些微帶類似于低角度晶界（而不是機(jī)械孿晶）。
(G) 拉伸加載過程中B2和L12相（即sB2和sL12）的實(shí)時(shí)應(yīng)力分配。
(H) 在拉伸應(yīng)變~48%的情況下，沿全方位角η（0°~360°）方向的2D X射線衍射圖像。
【應(yīng)用】
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這些機(jī)制對于指導(dǎo)更廣泛的鑄態(tài)共晶型HEAs和傳統(tǒng)合金的性能改善具有實(shí)際意義。這種微結(jié)構(gòu)理念和方法也大有可能用于其它由軟硬相組成的人造合成材料中。對這些材料進(jìn)行多級的魚骨狀微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，進(jìn)而引導(dǎo)和緩沖裂紋，制備抗裂紋和高變形相兼容的材料。此外，這種共晶魚骨型微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑方法和理念不僅對開發(fā)具有高伸長率的新型多級結(jié)構(gòu)合金，而且對設(shè)計(jì)具有良好斷裂韌性的新型骨替代生物材料具有很好的指導(dǎo)意義。
值得一提的是，鐘云波團(tuán)隊(duì)近兩年多來已在該領(lǐng)域取得多次突破。他們先是在《Nature Communications》上報(bào)道了共晶高熵合金獨(dú)特的微層片遺傳特性，所構(gòu)筑的雙相多級異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)在拉伸加載時(shí)，能夠觸發(fā)強(qiáng)的異質(zhì)變形誘導(dǎo)的硬化能力，因而可以顯著改善超細(xì)晶共晶高熵材料的力學(xué)性能。然后，通過定制應(yīng)力依賴的多重硬化機(jī)制，創(chuàng)新性地將多類型形變納米孿晶與多尺度異質(zhì)變形硬化效應(yīng)多重耦合，開發(fā)出一種具備順序激活的多階段應(yīng)變硬化能力的超細(xì)晶共晶高熵合金，發(fā)表在國際頂尖雜志《Materials Today》上。
【文獻(xiàn)鏈接】
1.Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys（Science，2021，DOI:10.1126/science.abf6239）
2.Enhanced strength–ductility synergy in ultrafinegrained eutectic high-entropy alloys by inheriting microstructural lamellae(Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-019-08460-2)
3.Multistage work hardening assisted by multi-type twinning in ultrafine-grained heterostructural eutectic high-entropy alloys（Materials Today, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.029）
感謝第一作者時(shí)培建對本文所做的貢獻(xiàn)。
