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?一作兼通訊發《Nature》:雙功能納米析出相!同時提高合金強塑性

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通常,具有面心立方(fcc)結構的中、高熵合金,具有較高的拉伸延展性和優良的韌性,但室溫強度較差。盡管可以通過晶界孿晶界、溶質原子和析出相等阻礙位錯運動,提高其強度。但與此同時會降低延展性,且析出相也會阻礙相變。

在此,來自美國橡樹嶺國家實驗室的Ying Yang & Easo P. George等研究者使用Fe-Ni-Al-Ti中熵合金作為模型材料,獲得的雙重功能納米析出相可以同時提升合金的拉伸強度和均勻延伸。相關論文以題為“Bifunctional nanoprecipitates strengthen and ductilize a medium-entropy alloy”發表在最新一期Nature上。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03607-y

研究者的策略是采用以下兩種假設的合金來說明的。圖1a所示,合金Α1在高溫下為單相fcc(奧氏體),當淬火到室溫時,它發生bcc-馬氏體轉變,如圖1b。合金Α2在高溫下具有兩相組織(圖1c),由分布在fcc-奧氏體基體中的析出相組成,其成分與合金Α1相同。因此,在沒有析出相的情況下,A2基體在淬火時也應發生bcc-馬氏體的轉變。然而,如圖1d所示,由于析出相的空間限制,其馬氏體相變將被抑制,從而形成亞穩的fcc-奧氏體基體。

圖1 FNAT-m-47h和FNAT-47h合金的組織和拉伸性能。

為了實現以上這些合金,研究者設計并制備了兩種中等熵合金(MEA)成分。首先是Α2合金,其成分為Fe-32.6Ni-6.1Al-2.9Ti (at%),在其主要成分和時效時間(47h)后記為FNAT-47h。熱力學計算表明,在1100°C固溶和700°C時效47 h后,該合金的平衡相應該是fcc基體,其成分近似為Fe-23Ni-3.5Al-0.5Ti (at%),含有Ni3Al(L12)型析出相。其次是Α1合金,在700℃下與FNAT-47h合金基體成分相同,記為FNAT-m-47h。這兩種合金都以相同的方式加工和熱處理。如預期的那樣,FNAT-m-47h合金在室溫(約21°C)下淬入水中后幾乎完全形成馬氏體(圖1e);小角中子散射(SANS)測量沒有發現納米析出相的證據(圖1f)。

SANS測量(圖1h)證實了約24 vol%的納米析出相的存在,平均半徑為10.4 nm,數量密度為4.3 ×1022 m?3。因此,FNAT-47h的主要fcc基體必然是由于該合金中的納米析出相阻礙了fcc- bcc馬氏體的轉變。

對FNAT-47h和FNAT-m-47h合金進行了室溫拉伸試驗。FNAT-47h的屈服強度(YS)、極限抗拉強度(UTS)和均勻延伸率(UE)分別比FNAT-m-47h提高了約20%、90%和300%,如圖1i所示。

FNAT-47h的微觀組織結果,如圖2a f所示。原子探針斷層掃描(APT),圖2a, b,發現球狀L12析出相(成分:Ni 13.8Al 6.6Fe 11.6Ti, at%)均勻分布在fcc基體中(成分:Fe 3.6Al 22.3Ni 0.4Ti, at%)。

圖2 NAT-47h和FNAT-4h合金的顯微組織分析。

透射電鏡(TEM)結果,如圖2d-f,表明FNAT-47h的fcc晶粒內部存在納米級bcc域。為了研究析出相間距的影響,研究者在700℃(FNAT-4h)下進行了較短的時效時間(4h)后的微觀組織,并采用與FNAT-47h相同的時效方式進行了淬火。APT顯示,FNAT-4h的L12析出相和fcc基體的組成和體積分數(圖2g,h)與FNAT-47h(圖2a, b)相似,說明在4h時已經達到化學平衡。

圖3 FNAT合金的室溫力學性能和變形機理。

NAT-4h的屈服強度(~807MPa)低于FNAT-47h的屈服強度(~868 MPa),可能是由于FNAT-4h中沒有bcc相。然而,FNAT-4h和FNAT-47h的主要區別在于它們的塑性變形行為。

圖4 對當前MEAs (FNAT-47h、FNAT-8h和FNAT-4h)與其他HEAs和鋼在室溫下的均勻延伸率和極限抗拉強度的比較。

綜上所述,研究者的合金中的納米析出相,不僅提供了傳統的基體強化,還可以調節其從fcc-奧氏體到體心立方(bcc)馬氏體的轉變,通過轉變溫度淬火后限制其保持亞穩fcc。在隨后的拉伸測試中,基體逐漸轉變為bcc-馬氏體,使強度、加工硬化和延展性大幅度提高。這里報道的策略可以適用于其他系統(包括傳統合金和HEAs),這些系統與FNAT有著共同的特點,尤其是在相變基質中形成納米析出相的能力(本例中為fcc到BCC,其他情況下為fcc到HCP)。(文:水生)

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