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上海大學鐘云波教授團隊Science: 共晶魚骨高熵合金的多級裂紋緩沖效應及其輔助的超高塑韌性

發布時間:2021-08-23收藏本文關閉本文

820日,上海大學材料科學與工程學院鐘云波教授研究團隊關于“共晶魚骨高熵合金的多級裂紋緩沖效應及其輔助的超高塑韌性”最新研究成果,以Hierarchical Crack Buffering Triples Ductility in Eutectic Herringbone High-entropy Alloys為題,在國際頂尖期刊《Science》上發表。

 

合金材料的斷裂失效,如臺風中大橋鋼結構的斷裂、地震中建筑物鋼結構的倒塌、雪災中電力支架的崩塌等,絕大部分均起源于合金材料中微裂紋的產生和擴展,因此在合金結構材料中寬容微觀裂紋產生是違反傳統安全理念的,因為材料中出現的微裂紋,在應力作用下將快速擴展成宏觀裂紋,最終觸發材料的過早失效,并因此伴隨著令人失望的低拉伸塑性。目前,他們在一種新型的共晶高熵合金材料中顛覆了這一觀念:他們采用獨特的凝固組織控制手段,將共晶高熵合金中的共晶層片結構設計成類似魚骨的多級共晶層片結構,在拉伸變形時,超硬相B2相中不但形成位錯和晶界滑移,還將萌生高密度微裂紋,緩解材料變形時的應力集中;且該微裂紋僅在B2相中大量萌生和沿拉伸方向拉長,微裂紋遇到軟性相L12相界時不再擴展,裂紋前端鈍化為圓形;而在軟性相L12相中形成大量的高密度位錯和晶界滑移,形成不斷累積的加工硬化,表現出超優的塑性變形能力;B2L12兩相的這種協同變形作用下,B2相中大量萌生的微裂紋不僅不會惡化共晶高熵合金性能反而可以做為一種有效的應變補償去改善材料塑性。這一突破源于仿生激發的多級裂紋緩沖效應,其允許多重微裂紋的廣泛成核,但在隨后的巨大應變范圍內顯著抑制了它們的災難性生長和破壞。結果,在不犧牲強度的情況下,這種共晶魚骨材料獲得了超高的斷裂韌性,特別是其延伸率達到了前所未有的50%,約是傳統鑄態共晶材料的3倍。本文提出的這種仿生魚骨結構導致的多級微裂紋緩沖效應激發共晶高熵合金材料的超優塑性,屬首次發現。如果應用于跨海大橋、高層建筑、核電、火電、航母、核潛艇、航空航天、大型鋼構件等領域的結構材料,將極大提高其服役安全性。

                                   

                                    

                               

                                

該成果由上海大學、北京科技大學、東北大學、德國馬克斯-普朗克研究所、美國田納西大學和阿貢國家實驗室合作完成,其中上海大學為第一署名單位,上海大學鐘云波教授、德國馬克斯-普朗克研究所D. Rabbe教授和北京科技大學的王沿東教授為共同通訊作者,鐘云波教授指導的上海大學2018級博士生時培建同學為第一作者,上海大學材料學院任維麗教授、鄭天祥副研究員、沈喆博士、李毅博士、溫躍波碩士,北京科技大學張勇教授、李潤光博士,美國阿貢國家實驗室Yang Ren教授,田納西大學Peter K. Liaw教授,上海大學微結構中心胡鵬飛高級實驗師、彭建超實驗師、閔娜實驗師、梁雪實驗師為合作署名作者。這也是繼2019年在Nature Communications(高被引論文)、2020年在Materials TodayIF=31.041)雜志之后,上海大學材料學院省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室首次在Science雜志發表論文,也是第一作者、第一單位、通訊作者均來自于上海大學的首篇Science論文。這同時也是在上海大學老一輩科學家徐匡迪院士提出的聚焦行業今后10-20年中面臨關鍵科學問題展開深入基礎研究的戰略思想指導下,上海大學冶金學者取得的又一進展。本論文也得到教育部長江學者獎勵計劃、十三五重點研發計劃重點項目、國家自然科學基金重點項目、中國科協青年托舉人才計劃的資助。

 

原文鏈接
https://science.sciencemag.org/content/373/6557/912

(資料來源:化學與材料科學)

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