科研进展|南科大机械系逯文君团队合作在高熵合金与原位电镜领域取得研究进展

    “越小即越强”是材料的一个重要特性，这是由于小尺寸样品中含有较低密度的缺陷或缺陷源所致。减小材料尺寸不可避免地会促使高温下表面或界面异质形核的发生，使材料在热力学上不稳定，最终导致强度-热稳定性之间存在对立矛盾。尽管纳米材料比粗晶材料强度更高，但在高温下纳米材料会经历快速晶粒长大和机械完整性的丧失。晶界偏析或弛豫可降低纳米材料的晶界能，从而提高其热稳定性。对于超强非晶材料而言，金属玻璃的尺寸与它的热稳定性、力学性能之间的关系一直存在争论。有研究指出，降低金属玻璃的尺寸能提高其强度和变形能力。然而，由于非晶材料表面的异质形核，通常会导致其热稳定性变差。类似地，晶体-玻璃复合材料的热稳定性也会受到晶体-玻璃界面异质形核的限制。

    在此，南方科技大学逯文君及其合作者提出了一种新颖的高熵合金设计理念：利用退火诱导元素从晶体相到玻璃相的动态配分来提高其的结晶温度并增强晶体相的变形能力，从而稳定共生晶体-玻璃复合结构。通过原位拉伸表征技术对晶体-玻璃复合动态微观结构进行观察，发现了晶体逆相变及非晶塑性颈缩现象，表明了其具有良好的塑性的特点。结合原位加热技术，动态捕捉到元素从晶体到玻璃的配分过程，阐明了材料中两个共生区域的高热稳定性的来源。相关研究成果以题“Symbiotic crystal-glass alloys via dynamic chemical partitioning”发表在Materials Today上。

图1. 晶体-非晶共生合金的微观结构和成分。（a）典型高角环形暗场扫描透射电子显微图（HAADF-STEM）。插图中是针对截面试样的典型选区电子衍射（SAED）花样，显示了一个非晶环和具有{00 0 2}强织构的衍射花样。（b-c）截面高分辨扫描透射电子显微图（HR-STEM），分别显示了<11 -2 0>晶带轴下的HCP结构（晶态CrCoNi相）和非晶相的类迷宫花样。插图是相应的快速傅里叶变换图（FFT），显示了HCP相的{00 0 2}晶面是垂直于合金生长方向的，非晶相呈现出典型的漫射环特征。（d）晶体-非晶共生合金的HAADF-STEM以及能量散射谱图（EDS）。（e）原子探针层析（APT）数据的三维重构图，显示了纳米片层结构。（f）从APT数据中截取1nm厚薄片，并作出关于Cr、Co、Ni的2D浓度分布图。（g）在（f）图中箭头所示区域的1D成分图。

图2. 晶体-非晶共生合金的热稳定性。分别于（a）室温下，（b）623K退火600s，（c）973K退火3600s的原位加热实验下的HAADF-STEM图。在（a）中的红色和绿色箭头分别指向非晶层和晶体层。（d）在不同退火温度保持1小时后共生合金的硬度变化。（e）试样于973K非原位退火1小时后的球差校正HRTEM图，显示了晶体-非晶纳米复合结构得以维持。右上角和右下角的插图为虚线绿框和虚线黄框区域的FFT图，分别显示了HCP与FCC结构。在靠近晶体-非晶界面的非晶层中可以发现有一些很小的纳米晶（箭头所示），这一现象可能是退火过程中的不完全非晶化造成的。原因是在于靠近晶体-非晶界面处的非晶层含有较少的Ti、Zr、Nb和Hf元素，导致了玻璃形成能力（GFA）的下降。（f）623K退火1小时试样的APT数据的三维重构。（g）在（f）图中箭头所示区域的623K和973K退火1小时试样的1D成分图

图3. 晶体-非晶共生合金在室温下的原位TEM拉伸变形行为。晶体-非晶共生合金在（a）拉伸前以及（b）拉伸过程中的明场TEM图。（c）在图（b）中放大区域的环形暗场（ADF）STEM图，显示了在拉伸过程中裂纹的产生。（d1-d3）在拉伸过程中裂纹前端晶体层的HRTEM原位视频截图，显示了其宽度从18nm减小至14nm。（e1-e3）在（d1-d3）中方框区域的放大图。（f1-f3）在（e1-e3）中方框区域的晶格解析结构放大图，显示在拉伸过程中同一区域发生了由HCP向FCC的相变。（g1-g3）晶体相和非晶相在断裂过程中的HRTEM原位视频截图。（h1-h3）与（i1-i3）在（g1-g3）中方框区域的放大图，显示了断裂过程中晶体相和非晶相都发生了颈缩现象。

图4. 晶体-非晶共生合金的力学性能。（a）微米柱试样的压缩工程应力-应变曲线。（b）合金的归一化剪切屈服强度vs.均匀变形数据图，显示共生合金相比传统非晶合金与纳米片层合金具有更优异的综合力学性能。（c）共生机制示意图。在初始合金中，晶体相和非晶相分别具备HCP（BCBC…原子堆垛次序）与非晶结构。加热过程中，化学元素由晶体相向非晶相动态迁移（左图箭头所示），动态增强了非晶相的负混合焓，从而稳定了共生合金整体的晶体-非晶结构。另外，在加热过程中，化学元素迁移改变了晶体相的层错能，使得晶体相的一部分HCP结构转变为FCC结构（ACBA…原子堆垛次序）。（d）该类新型共生合金体现出三方面的效应：化学元素由晶体相向非晶相发生动态迁移（动力学）；晶体相较低的层错能与非晶相较大的负混合焓（热力学）；晶体-非晶结构具备优异的热稳定性、晶体相由HCP向FCC转变带来更高的塑性变形能力、非晶相的均匀塑性流变（性能）。

    德国马普钢铁所吴戈博士与刘畅博士为论文共同第一作者，Matteo Ghidelli、逯文君、Dierk Raabe和李志明为论文共同通讯作者，南方科技大学为共同通讯单位。该项目得到德国科学基金、国家自然科学基金等项目资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702121003576

供稿 | 逯文君课题组

排版| 橘猫

编辑| D.Su