3D打印新突破！具有出色的斷裂韌性CrCoNi 中熵合金和高熵合金
魔猴君 行業(yè)資訊 737天前
日前，據(jù)魔猴網(wǎng)了解，由美國勞倫斯伯克利國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室的研究人員領導，相關研究工作于 2022 年 12 月 2 日以“Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Science》上，該發(fā)明有關具有出色的斷裂韌性CrCoNi 中熵合金和高熵合金。當設計結構材料時，需要它們既要堅固又要有延展性和抗斷裂性。 通常，這是這些屬性之間的折衷。 但這款CrCoNi 材料兼具兩者，不會在低溫下變脆，而是變得更堅韌。
顯微鏡生成的圖像顯示了在 20 開爾文 (-424 F) 應力測試期間 CrCoNi 合金在納米尺度上的斷裂路徑和伴隨的晶體結構變形。 裂縫從左向右擴展。 © 橡樹嶺國家實驗室
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070© Science
有史以來最高韌性
科學家們在研究由鉻、鈷和鎳（ CrCoNi） 制成的金屬合金時，測出了有史以來最高的韌性。這種金屬不僅具有極強的延展性。在材料科學中，這意味著高度的延展性，而且非常堅固，這意味著它可以抵抗永久變形。它的強度和延展性隨著溫度的降低而提高，這與現(xiàn)有的大多數(shù)其他材料背道而馳。
自從大約 20 年前首次開發(fā) HEA 以來，HEA 一直是研究的熱門領域，但直到最近才出現(xiàn)在極端測試中將材料推向極限所需的技術。根據(jù)3D科學谷《（一）3D打印技術的優(yōu)缺點 l 3D打印HEA高熵合金：微觀結構和性能綜述》一文，高熵合金 (HEAs) 是一種很有前途的多組分合金，具有新穎的微觀結構和優(yōu)異的性能的獨特組合。然而，通過傳統(tǒng)方法制造 HEA 仍然存在一定的局限性。3D打印-增材制造的 HEA 具有優(yōu)化的微觀結構和改進的性能，近年來增材制造 (AM) 技術在生產(chǎn) HEA 中的應用呈顯著增長趨勢。
© 3D科學谷白皮書
20開爾文（K）下的等價CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的斷裂韌性值。發(fā)現(xiàn)CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂紋起始斷裂韌性特別高，分別為262和459兆帕·米?（MPa·m?）；CrCoNi在2.25 mm的穩(wěn)定裂紋后顯示了超過540MPa·m?的裂紋增長韌性。20K時的裂紋尖端變形結構與更高溫度下的變形結構截然不同。它們包括堆垛層錯、細納米孿晶和轉變的ε馬氏體的成核和受限生長，具有可促進位錯的阻止和傳輸以產(chǎn)生強度和延展性的連貫界面。他們認為，這些合金通過變形機制、位錯滑移、層錯形成、納米孿晶和相變的逐步協(xié)同作用來發(fā)展抗斷裂性，這些機制協(xié)同作用延長了應變硬化，同時提高了強度和延展性，導致了優(yōu)異的韌性。
強度和韌性的完美結合
盡管它們具有極高的斷裂韌性，但這些合金并沒有復雜的微觀結構，因為它們是簡單的單相固溶體。因此，一個重要問題是這種特殊的抗斷裂性的起源，以及為什么它在低溫下會如此逐漸增強。
為了解決這個問題，研究人員研究了這些合金中塑性變形的協(xié)同缺陷行為，主要使用CrCoNi合金來說明20K與室溫下的典型行為。使用斷裂后EBSD分析和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察塑性區(qū)內(nèi)的嚴重變形區(qū)域，直接與裂紋尖端相鄰，局部應變很容易達到60-100%。雖然微觀結構一開始是相當簡單的單相固溶體，但在20K下的變形將結構轉變?yōu)樨S富而復雜的相和缺陷結構的混合物。
大約十年前，研究人員開始試驗 CrCoNi 和另一種也含有錳和鐵的合金，即 CrMnFeCoNi。他們制作了合金樣品，然后將材料降低到液氮溫度（大約 77 開爾文或負 321 華氏度），并發(fā)現(xiàn)了令人印象深刻的強度和韌性。研究人員繼續(xù)在液氦溫度范圍內(nèi)進行測試，值得慶幸的是，結果值得等待。
這些圖像由掃描電子顯微鏡生成，顯示了 (A) CrMnFeCoNi 和 (B) CrCoNi 合金的晶粒結構和晶格取向。(C) 和 (D) 分別顯示 CrCoNi 在 293 K 和 20 K 時的斷裂示例。© 伯克利實驗室
許多固體物質，包括金屬，都以結晶形式存在，其特征是重復的3D原子模式，稱為晶胞，構成更大的結構，稱為晶格。 材料的強度和韌性來自晶格的物理特性。 沒有完美的晶體，因此材料中的晶胞不可避免地包含“缺陷”，一個突出的例子是位錯：未變形晶格與變形晶格相遇的邊界。 當對材料施加力時，例如，想一想彎曲金屬勺子——形狀的變化是通過位錯在晶格中的移動來實現(xiàn)的。 位錯越容易移動，材料越軟。 但是如果位錯的運動被晶格不規(guī)則形式的障礙物阻擋，那么就需要更多的力來移動位錯內(nèi)的原子并且材料變得更堅固。 另一方面，障礙物通常會使材料更脆，或容易開裂。
重新思考物理特征與性能
該研究團隊的新發(fā)現(xiàn)，連同最近關于 HEA 的其他工作，可能會迫使材料科學界重新考慮長期以來關于物理特性如何產(chǎn)生性能的觀念。因為冶金學家說材料的結構決定了它的特性，但 NiCoCr 的結構是能想象到的最簡單的。然而，當對其進行變形時，結構會變得非常復雜，而這種轉變有助于解釋其對斷裂的非凡抵抗力。根據(jù)加州大學伯克利分校材料科學與工程教授，由于電子顯微鏡中快速電子探測器的發(fā)展，業(yè)界能夠看到這種意想不到的轉變，這使科研人員能夠辨別不同類型的晶體，并以單納米的分辨率量化它們內(nèi)部的缺陷，寬度僅為 幾個原子。
這項研究得到了能源部科學辦公室的支持。低溫機械測試和中子衍射是在盧瑟福阿普爾頓實驗室進行的。顯微鏡分析是在分子鑄造廠的國家電子顯微鏡中心進行的，其他設施包括伯克利實驗室的 DOE 科學辦公室。
來源：3D科學谷
