近日，北京理工大學材料學院在共格納米析出相強化高熵合金的絕熱剪切機理研究方面取得新進展。金屬材料領域頂級期刊《Acta Materialia》在線發(fā)表了題為 “Novel mechanism of ultra-high adiabatic shear susceptibility in FCC-based high-entropy alloys via high-content nanoprecipitate dissolution” 的研究論文。

絕熱剪切是材料在高應變率變形條件下常見的一種失效行為。在傳統(tǒng)認知中，高絕熱剪切敏感性意味著材料容易發(fā)生局域化變形失穩(wěn)（易失穩(wěn)），而較強的加工硬化能力有助于均勻變形（抗失穩(wěn)），兩者通常難以兼得。例如，具有強剪切敏感性的體心立方（BCC）合金一般加工硬化能力較弱，具有良好加工硬化能力的面心立方（FCC）合金則表現(xiàn)出低的絕熱剪切敏感性。研究團隊開發(fā)的高強韌FCC結構納米析出相強化高熵合金，展現(xiàn)出了超高的絕熱剪切敏感性，實現(xiàn)了“抗失穩(wěn)”與“易失穩(wěn)”的矛盾統(tǒng)一。如圖1所示，與傳統(tǒng)強失穩(wěn)BCC合金相比，該合金表現(xiàn)出良好的加工硬化能力，具有抗失穩(wěn)特性，但又以更低的臨界應變發(fā)生絕熱剪切失效，表現(xiàn)出易失穩(wěn)特性。

圖1. Al0.5Cr0.9Fe1Ni2.5V0.2展現(xiàn)出良好的加工硬化能力和超高的絕熱剪切敏感性

已有研究表明，通過高密度納米析出相與基體相的變形不匹配，可促進局部應變集中，進而誘發(fā)剪切失穩(wěn)。但該機制在FCC合金中作用有限，難以充分解釋上述材料行為。為此，研究團隊揭示了一種全新的絕熱剪切失效機制——回溶軟化機制。在動態(tài)變形過程中，局部變形集中導致溫度升高，進而觸發(fā)析出強化相的瞬時溶解。這一行為使得局部剪切強度驟降，極大加速了剪切帶的形成與擴展。論文進一步分析了促成析出相快速回溶的動力學過程，發(fā)現(xiàn)高熵合金析出相的納米結構和低能量界面對激活該機制具有決定性作用：一方面，高構型熵賦予了合金較低的析出相回溶溫度；另一方面，納米尺度顯著縮短了溶解過程中原子的擴散路徑，而低能量界面既避免了析出相的粗化，又降低了界面對原子的擴散阻力。上述因素協(xié)同作用，使析出相在較低溫度下即可發(fā)生快速溶解。這種新的絕熱剪切帶形成機制為設計兼具高強韌、良好的加工硬化能力與高絕熱剪切敏感性的合金提供了全新的思路。

圖2. 納米結構和低能量界面促進了析出相的快速回溶，產生急劇軟化作用，顯著加速剪切帶的形成

北京理工大學材料學院肖遙博士和先進結構技術研究院曾慶磊副教授為論文的共同第一作者，北京理工大學材料學院薛云飛教授為通訊作者。西安交通大學丁俊教授和荀凱輝博士在分子動力學模擬分析方面提供了重要支持；香港城市大學任洋教授、南京理工大學沙剛教授、北京理工大學陳浩森教授和朱盛鑫副教授在原位同步輻射實驗、三維原子探針分析及動態(tài)原位測溫等關鍵技術環(huán)節(jié)中給予了重要指導。