来源:北京工业大学官网 发布时间:2024/1/4 22:58:45
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首篇,北工大以第一完成单位在《自然》发表论文

 

1月4日,国际高水平期刊《Nature》刊发了北京工业大学材料科学与工程学院韩晓东教授团队研究成果《Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility》。这是北京工业大学以第一完成单位在《Nature》上发表的首篇论文,标志着学校在高强韧合金设计与原子尺度强韧化机理方面取得重要科研进展。北京工业大学助理研究员安子冰为第一作者,韩晓东教授、毛圣成研究员为共同通讯作者。论文原文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06894-9

金属结构材料优异的强度与塑性决定了装备和设备的先进性和安全性。然而,材料的强度与塑性之间是相互制约的,提高强度的同时往往损失塑性,呈现出强度?塑性倒置的矛盾关系。发展兼具高强度与高塑性金属结构材料成为研究者的恒久追求。以体心立方结构难熔多组元合金为例,提出有效的合金设计准则,开发兼具高强度和大拉伸塑性的合金体系仍是国际领域的重大基础性科学问题和难题。

围绕上述重大基础性科学问题,团队与张泽院士及合作者们提出“负混合焓固溶体”(简称负焓固溶体)设计高强韧合金概念。基于该设计概念,作者向近理想高熵HfNbTiV合金中添加AI元素,形成负混合焓Al-M(M= Hf, Nb, Ti, V)多级纳米异质结构,制备出HfNbTiVAl10大负焓固溶体合金。该合金展示出了超高屈服强度与大拉伸塑性,解决了难熔多组元合金强度-塑性倒置难题。该设计理念具有广泛性和普适性,已经在多种体心立方结构和面心立方结构的多组元合金中得到验证,能够快速地指导不同结构的兼具高强塑性多组元合金化学成分设计,推动高强韧合金的发展。这一突破性进展为解决金属材料领域长期面临的强度与塑性倒置难题提供了新思路。

HfNbTiVAl10合金的屈服强度为~1390 MPa,延性达~20%(图1),其屈服强度与拉伸塑性的协同效果远超同类合金。该优异力学性能源于其具有跨亚纳米至上百纳米的多尺度化学成分波动结构(图2)。基于原子尺度成分分析,作者首次揭示出原子尺度混合熵及混合焓分布,发现混合焓在-3.20~-9.83kJ/mol间的高度波动是其形成多尺度化学成分波动的关键。基于原位同步辐射拉伸实验,阐明该合金内位错密度随应变持续增加至高密度(~5.15×1015m-2)保障了该合金高的、持续的加工硬化率(图3)。多尺度化学成分波动可以连续阻碍位错运动,促进位错以多系滑移和交叉滑移的方式运动和累积(图4),从而使应变硬化率在大应变范围内保持高水平。

(图1 拉伸应变-应变曲线。HfNbTiVAl10合金展示出优异的屈服强度与均匀拉伸塑性,其综合力学性能超过同类难熔多主元合金。)

(图2 负焓诱导多尺度的化学成分波动结构在HfNbTiVAl10合金内形成。)

(图3 原位同步辐射拉伸实验揭示出位错密度随应变持续增加的演化规律,保障合金在宽应变范围内的高加工硬化率。)

(图4 多尺度化学成分波动结构促进位错的多系滑移和交叉滑移,实现位错的增殖。)

综合实验、理论计算与文献调研结果,发现合金屈服强度与混合焓存在线性关系,首次提出负混合焓强化机制。因此,负焓固溶体设计理念不仅可以提高合金强度,同时能够诱导形成多尺度的化学成分波动来提高塑性,是解决材料强度-塑性倒置的矛盾关系、高强韧合金设计的新策略。上述成果获得国家重点研发专项、国家自然科学基金委基础科学中心项目、卓越青年科学家、国家自然科学基金委面上项目、北京市科技新星、 “111”引智计划、中国博士后基金、香港基金等项目的支持及北京工业大学大型仪器共享管理平台的设备支持。

(原标题:北京工业大学以第一完成单位在《Nature》发表首篇论文)


 
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