北理工在共格納米析出相強(qiáng)化高熵合金的絕熱剪切機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-07-01 供稿：材料學(xué)院 攝影：材料學(xué)院
編輯：劉曉雪 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院在共格納米析出相強(qiáng)化高熵合金的絕熱剪切機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Acta Materialia》在線(xiàn)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(yīng)變率變形條件下常見(jiàn)的一種失效行為。在傳統(tǒng)認(rèn)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(qiáng)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(qiáng)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)韌FCC結(jié)構(gòu)納米析出相強(qiáng)化高熵合金，展現(xiàn)出了超高的絕熱剪切敏感性，實(shí)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(qiáng)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(yīng)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(guò)高密度納米析出相與基體相的變形不匹配，可促進(jìn)局部應(yīng)變集中，進(jìn)而誘發(fā)剪切失穩(wěn)。但該機(jī)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(tuán)隊(duì)揭示了一種全新的絕熱剪切失效機(jī)制——回溶軟化機(jī)制。在動(dòng)態(tài)變形過(guò)程中，局部變形集中導(dǎo)致溫度升高，進(jìn)而觸發(fā)析出強(qiáng)化相的瞬時(shí)溶解。這一行為使得局部剪切強(qiáng)度驟降，極大加速了剪切帶的形成與擴(kuò)展。論文進(jìn)一步分析了促成析出相快速回溶的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)高熵合金析出相的納米結(jié)構(gòu)和低能量界面對(duì)激活該機(jī)制具有決定性作用：一方面，高構(gòu)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(guò)程中原子的擴(kuò)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(duì)原子的擴(kuò)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(jī)制為設(shè)計(jì)兼具高強(qiáng)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(jié)構(gòu)和低能量界面促進(jìn)了析出相的快速回溶，產(chǎn)生急劇軟化作用，顯著加速剪切帶的形成
北京理工大學(xué)材料學(xué)院肖遙博士和先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)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(xué)材料學(xué)院薛云飛教授為通訊作者。西安交通大學(xué)丁俊教授和荀凱輝博士在分子動(dòng)力學(xué)模擬分析方面提供了重要支持；香港城市大學(xué)任洋教授、南京理工大學(xué)沙剛教授、北京理工大學(xué)陳浩森教授和朱盛鑫副教授在原位同步輻射實(shí)驗(yàn)、三維原子探針?lè)治黾皠?dòng)態(tài)原位測(cè)溫等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)中給予了重要指導(dǎo)。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425005671
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