美國橡樹嶺國家實驗室Acta Mater.：通過保形加工獲得具有高應變硬化能力的梯度納米層壓中等熵合金

【引言】

結構材料通常可以通過引入高密度的內部界面（晶界和巒晶界等）實現增強，但是界面的引入也會帶來一些非預期的性質。例如，與具有微米級晶粒（200 MPa）的樣品相比，均勻的納米晶體銅表現出高于650 MPa的高強度，但代價是拉伸延展性降低。因此，在高應力水平下增加材料的應變硬化能力是一個嚴峻挑戰。開發具有界面密度梯度的材料是一種成功的設計策略，受自然的啟發，人工梯度納米結構已經在摩擦學、生物力學、斷裂力學和納米技術等學科中引起廣泛的研究興趣，而且通過這些結構實現了顯著的性能提升。目前，具有界面密度梯度的材料可以通過表面機械磨損、表面機械研磨和熱機械方法等加工策略進行制備。在上述這些方法中，硬車削是一種成熟的方法，可以應用于軸承鋼以獲得高于45洛氏硬度的表面硬度。通過該方法，可以容易地調整諸如轉速和溫度等加工參數以獲得期望的界面和子結構梯度。

【成果簡介】

近日，美國橡樹嶺國家實驗室郭煒博士后與貝紅斌研究員合作，利用硬車削方法使NiCrCo中等熵合金（MEA）獲得微觀結構界面梯度，其中NiCrCo在更廣泛的過渡金屬元素組成的系列中表現出最佳的低溫強度和斷裂韌性的組合。研究表明，在材料進行低溫硬車削之后，可以觀察到納米層狀梯度結構，其是由在納米級晶粒內部的密集的納米層和hcp薄片組成。而且，77K硬車削后的結構梯度合金在2%初始應變下表現出高屈服應力（1.4GPa）和高應變硬化率（13.3）。該成果以題為" Shape-preserving machining produces gradient nanolaminate medium entropy alloys with high strain hardening capability "發表在國際著名期刊Acta Materialia上。

【圖文導讀】

圖1 77K硬車削加工結構梯度MEA的加工程序和微觀結構

(a) 合金加工程序示意圖；

(b) 橫截面明場TEM圖像揭示了變形表面區域的梯度結構；

(c) 低溫硬車削后的梯度納米結構的示意圖；

(d) 顯示納米晶粒結構的明場TEM圖像；

(e) 材料最頂部50 μm表面層的晶粒尺寸分布；

(f) 顯示后續層中較粗糙晶粒結構的明場TEM圖像；

(g, h) 沿[110] fcc區軸單個納米晶粒內部結構層次的高分辨率濾波STEM圖像；

(i) 在單個納米顆粒內沿著[110] fcc區軸的納米疊層的原子堆積示意圖。

圖2 室溫硬車削MEA的梯度微觀結構

(a) 顯示變形表面梯度結構的橫截面明場TEM圖像；

(b) 納米晶粒層的明場TEM圖像；

(c) 材料最頂部50 μm表面層中的晶粒尺寸分布；

(d) 顯示單個顆粒內高密度納米孿晶的STEM圖像；

(e, f) 納米孿晶的明場TEM圖像；

(g) 顯示納米晶層中納米層疊堆結構的示意圖。

圖3 低溫硬車削后MEA樣品納米晶表面的APT分析

(a) Ni、Cr和Co原子的APT元素圖；

(b) 構成元素的頻率分布分析；

(c) 顯示納米孿晶結構的3 nm切片的APT體積；

(d) (c)中目標區域的一維濃度分析。

圖4 NiCrCo MEA納米疊層在納米壓痕試驗中的典型載荷-位移曲線

圖5 不同加工條件下MEA的微柱壓縮和往復滑動磨損試驗

(a-c) 微壓縮試驗后微柱的表面形態（黃色箭頭標記滑動痕跡）；

(d) 微柱壓縮的工程應力-應變曲線；

(e) 應變硬化率與塑性應變的關系圖；

(f) 在300 K和70 K下進行平坦的往復滑動磨損試驗后MEA表面的磨損深度。

圖6 硬車削MEA的納米孿晶的厚度和間隔比較

(a) 不同溫度下硬車削MEA的納米孿晶的厚度比較；

(b) 不同溫度下硬車削MEA的納米孿晶的間隔比較。

圖7 殘余真實應力與塑性應變和應變硬化率的關系

(a) 殘余真實應力與塑性應變的關系曲線；

(b) 應變硬化率與殘余真實應力的函數關系。

圖8 NiCrCo梯度納米疊層的高分辨率透射電子顯微照片

圖9 通過DFT和ANNNI模擬計算的納米結構的相對熱力學穩定性

【小結】

本文中，作者在室溫和低溫下通過硬車削方法加工NiCoCr MEA，并結合APT、TEM探測和納米力學實驗結果，揭示了在合金表面形成的原子級分層結構的納米疊層梯度。研究發現，分層結構可以通過剪切應變速率和熱條件來控制，這些參數可以通過調整加工參數（例如轉速和溫度）直接控制。這種納米級表面層次結合了剛性hcp區域、柔性fcc基質和高密度內部界面的優點，從而導致高屈服應力和變形期間的高應變硬化。鑒于這些優異的性能，這種簡單有效的加工技術具有廣泛的潛力，有望用于合金的高通量納米結構設計以及大規模制造。

文獻鏈接：Shape-preserving machining produces gradient nanolaminate medium entropy alloys with high strain hardening capability?(Acta Mater. 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.03.024)

【團隊介紹】

郭煒博士在2015年至2018年間在橡樹嶺國家實驗室從事博士后研究，現在美國鐵姆肯公司任主任材料工程師，從事軸承材料熱處理及合金設計工作。

貝紅斌博士自2003年自橡樹嶺國家實驗室工作，任資深研究員，現任浙江大學教授，從事極端條件下的新材料研發工作。

團隊在該領域工作匯總：

1. Guo, Y.Meng, X. Zhang, V. Bedekar, H.Bei, S.Hyde, R.Shivpuri, J. Zuo, J.D. Poplawsky. “Extremely hard amorphous-crystalline steel structure produced by cementite amorphization”, Acta Materialia, 2018, 152: 107-118.

2. Wu, W. Guo, K. Jin, J.D. Poplawsky, Y. Gao*, H. Bei*. “Enhanced strength and ductility of a tungsten-doped CoCrNi medium-entropy alloy”, Journal of Materials Research, 2018, 1-9.

3. Z. Wu, H. Bei, G.M. Pharr, E.P. George, Temperature dependence of the mechanical properties of equiatomic solid solution alloys with face-centered cubic crystal structures, Acta Materialia, 2014, 81, 428-441.

【相關優質文獻推薦】

1. Yang, D. Yan, F. Yuan, P. Jiang, E. Ma, X. Wu, Dynamically reinforced heterogeneous grain structure prolongs ductility in a medium-entropy alloy with gigapascal yield strength, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115, 7224-7229.

2. Ma, F. Yuan, M. Yang, P. Jiang, E. Ma, X. Wu, Dynamic shear deformation of a CrCoNi medium-entropy alloy with heterogeneous grain structures, Acta Materialia, 2018,? 148, 407-418.

3. Cheng, H. Zhou, Q. Lu, H. Gao, L. Lu, Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals, Science, 2018, 362(6414), eaau1925.

本文由組biotech供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip。