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上海大学钟云波教授团队Science: 共晶鱼骨高熵合金的多级裂纹缓冲效应及其辅助的超高塑韧性

发布时间:2021-08-23收藏本文关闭本文

820日,上海大学材料科学与工程学院钟云波教授研究团队关于“共晶鱼骨高熵合金的多级裂纹缓冲效应及其辅助的超高塑韧性”最新研究成果,以Hierarchical Crack Buffering Triples Ductility in Eutectic Herringbone High-entropy Alloys为题,在国际顶尖期刊《Science》上发表。

 

合金材料的断裂失效,如台风中大桥钢结构的断裂、地震中建筑物钢结构的倒塌、雪灾中电力支架的崩塌等,绝大部分均起源于合金材料中微裂纹的产生和扩展,因此在合金结构材料中宽容微观裂纹产生是违反传统安全理念的,因为材料中出现的微裂纹,在应力作用下将快速扩展成宏观裂纹,最终触发材料的过早失效,并因此伴随着令人失望的低拉伸塑性。目前,他们在一种新型的共晶高熵合金材料中颠覆了这一观念:他们采用独特的凝固组织控制手段,将共晶高熵合金中的共晶层片结构设计成类似鱼骨的多级共晶层片结构,在拉伸变形时,超硬相B2相中不但形成位错和晶界滑移,还将萌生高密度微裂纹,缓解材料变形时的应力集中;且该微裂纹仅在B2相中大量萌生和沿拉伸方向拉长,微裂纹遇到软性相L12相界时不再扩展,裂纹前端钝化为圆形;而在软性相L12相中形成大量的高密度位错和晶界滑移,形成不断累积的加工硬化,表现出超优的塑性变形能力;B2L12两相的这种协同变形作用下,B2相中大量萌生的微裂纹不仅不会恶化共晶高熵合金性能反而可以做为一种有效的应变补偿去改善材料塑性。这一突破源于仿生激发的多级裂纹缓冲效应,其允许多重微裂纹的广泛成核,但在随后的巨大应变范围内显著抑制了它们的灾难性生长和破坏。结果,在不牺牲强度的情况下,这种共晶鱼骨材料获得了超高的断裂韧性,特别是其延伸率达到了前所未有的50%,约是传统铸态共晶材料的3倍。本文提出的这种仿生鱼骨结构导致的多级微裂纹缓冲效应激发共晶高熵合金材料的超优塑性,属首次发现。如果应用于跨海大桥、高层建筑、核电、火电、航母、核潜艇、航空航天、大型钢构件等领域的结构材料,将极大提高其服役安全性。

                                   

                                    

                               

                                

该成果由上海大学、北京科技大学、东北大学、德国马克斯-普朗克研究所、美国田纳西大学和阿贡国家实验室合作完成,其中上海大学为第一署名单位,上海大学钟云波教授、德国马克斯-普朗克研究所D. Rabbe教授和北京科技大学的王沿东教授为共同通讯作者,钟云波教授指导的上海大学2018级博士生时培建同学为第一作者,上海大学材料学院任维丽教授、郑天祥副研究员、沈喆博士、李毅博士、温跃波硕士,北京科技大学张勇教授、李润光博士,美国阿贡国家实验室Yang Ren教授,田纳西大学Peter K. Liaw教授,上海大学微结构中心胡鹏飞高级实验师、彭建超实验师、闵娜实验师、梁雪实验师为合作署名作者。这也是继2019年在Nature Communications(高被引论文)、2020年在Materials TodayIF=31.041)杂志之后,上海大学材料学院省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室首次在Science杂志发表论文,也是第一作者、第一单位、通讯作者均来自于上海大学的首篇Science论文。这同时也是在上海大学老一辈科学家徐匡迪院士提出的聚焦行业今后10-20年中面临关键科学问题展开深入基础研究的战略思想指导下,上海大学冶金学者取得的又一进展。本论文也得到教育部长江学者奖励计划、十三五重点研发计划重点项目、国家自然科学基金重点项目、中国科协青年托举人才计划的资助。

 

原文链接
https://science.sciencemag.org/content/373/6557/912

(资料来源:化学与材料科学)