作者:武晓雷等 来源:《自然-材料》 发布时间:2024/4/11 17:26:12
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中国科学院力学所提出一种加工硬化新策略并创造记录级力学性能

 

金属材料永恒的力学性能追求是同时兼具高强度和大塑性。然而,高强度往往导致低塑性瓶颈,其原因是高强度下位错难以形成并储存,严重降低了加工硬化能力。为此,中国科学院力学研究所武晓雷研究员领导的研究团队,提出了一种加工硬化新策略,即利用并控制已经发生的塑性失稳实现加工硬化,并据此策略获得了记录级力学性能。

2024年4月11日,相关研究成果以“Harnessing instability for work hardening in multi-principal element alloys”为题在线发表于Nature Materials期刊上。论文通讯作者为武晓雷研究员,共同第一作者为徐博文、段慧超和陈雪飞博士。

加工硬化是金属结构材料拉伸塑性的基础,其前提是拉伸变形时在晶粒内部形成、增殖并储存的位错—位错之间以及位错与界面和析出相等的交互作用引起的加工硬化。当晶粒细化至纳米尺度时,晶粒内部则很难产生并储存位错,降低了加工硬化能力,引起低塑性瓶颈。在高强度纳米结构金属中,如何形成并储存位错是实现其加工硬化的难题,更是挑战。近年来,少数超强钢和多主元合金获得了2 GPa左右的屈服强度和大于10%的拉伸塑性。上述合金,要么是易于发生马氏体相变的亚稳态结构,要么内部具有高密度的纳米析出相。然而,在大多数传统合金中,既没有纳米析出相也不存在马氏体相变,如果这些合金的屈服强度被提升至2.0 GPa左右,其加工硬化能力不足的问题仍然没有得到解决。

在这项工作中,团队制备了多主元VCoNi合金纳米结构,面心立方结构的纳米晶粒包含亚纳米尺度化学短程有序和第二相L12金属间化合物。纳米结构的初始拉伸变形是吕德斯带(Lüders band)扩展,研究人员发现:一旦吕德斯带开始扩展,在其前端就已经发生了塑性失稳、即早期颈缩(premature necking),在颈缩处随即形成了三轴应力状态,促进了高密度位错的快速产生,其中位错密度增量为9.3×1014 m-2,位错增殖速度为4.6×1013 m-2·s-1。这些位错引起了林位错加工硬化和异质变形诱导硬化,后者是几何必需位错与化学短程有序的应变场之间交互作用的结果。在吕德斯带扩展过程中,加工硬化体现出关键作用—反过来抑制并稳定住了吕德斯带的失稳扩展,还能使纳米结构进行均匀变形。据此,研究人员克服了高强纳米结构的低塑性瓶颈,得到屈服强度2.0 GPa和拉伸塑性16%的室温准静态拉伸性能,这两个性能在极端低温(即液氦和液氮温度)下提升到了前所未有的2.2 GPa和20%。这些结果展现了一个另辟蹊径的加工硬化策略,即“低加工硬化能力引起早期塑性失稳—失稳则诱导位错产生和加工硬化—加工硬化反过来抑制失稳”,是一个“抑制失稳”而非传统“推迟失稳”的加工硬化策略。

图1:多主元VCoNi合金的初始微结构。

图2:室/低温力学性能和强度-塑性匹配。

图3:吕德斯带前端的早期颈缩、塑性响应和位错增殖。

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图4:拉伸变形后晶粒内部的位错行为。

图5:吕德斯带扩展和均匀变形过程中的加工硬化。

图6:通过利用并控制早期颈缩实现加工硬化。

此工作拓展了长期以来教科书中对于吕德斯带变形的传统理解,揭示了高强纳米结构中之前未知的吕德斯带变形物理,并为研发高力学性能化金属材料及其极端环境应用提供了新思路。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-024-01871-7

 
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