北京科技大学张勇教授团队：仿生竹纤维异质结构增韧高熵合金！

导读：仿生结构为金属材料的强度-韧性平衡提供了一种新的设计方法。本研究在超细晶粒共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中，通过多程冷拉和退火，成功构建了仿生竹纤维异构组织。这种仿生微观结构具有沿轴向嵌入在软面中心立方(FCC)基体中的硬B2纤维，实现了强度和延展性的良好协同。这种结构的异质性、变形的不相容性正是源于此正是由于这种结构的异质性，导致B2纤维与FCC基体相之间产生了变形不相容和应变梯度，形成了明显的异质变形诱导硬化。这种硬化效应不仅增强了FCC基体，提高了纤维的屈服强度，还增强了脆性B2纤维的高应变硬化，延缓了纤维的应变局部化，提高了纤维的拉伸延性。

追求高强度和良好延展性的材料一直是工程应用和节能的挑战。不幸的是，应用于救援设备、悬索桥、斜拉桥和其他关键基础设施的高性能钢丝有时会受到严重的限制——缺乏均匀的拉伸延性。例如，报道的高强度珠光体丝的延伸率甚至低至2%，这就是强度-延展性的权衡。

高熵合金(HEAs)开创了一个新时代，创新性地将合金设计理念从传统的角度引入到相图的中心，为克服强度-延展性权衡提供了一条有希望的途径。特别是共晶HEAs (EHEAs)，它们具有天然的双相层状结构，通常被认为是原位复合材料。由于铸造缺陷少和复合结构的协同作用，其强度和延性达到了良好的结合。如Lu等首次研制出具有精细层状微结构的AlCoCrFeNi2.1EHEA，在室温和高温下均具有优异的力学性能。此外，Shi等人通过轧制和退火进一步提高了具有层状相结构的超细晶粒AlCoCrFeNi2.1EHEA的性能。如前文所述，这是从结构工程上提高AlCoCrFeNi2.1EHEA性能的有效途径。

仿生学结构是一种通过定制微观结构来设计性能的独特方法，为实现高性能材料提供了新的途径。例如，竹子在植物中表现出良好的力学性能，其沿轴向形成的纤维结构有效地增强了木质素。受这一趋势的启发，将这种纤维结构引入AlCoCrFeNi2.1EHEA中可能是提高其力学性能的一种有前途的方法。

在此，北京科技大学张勇教授团队将AlCoCrFeNi2.1EHEA通过引入具有拉伸过程和退火的仿生竹纤维异质结构来构建力学性能，详细描述了其微观组织、力学响应及相应的变形机制。相关研究成果以“A remarkable toughening high-entropy-alloy wire with a bionic bamboo fiber heterogeneous structure”为题发表在Scripta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964622200728X

标称成分为AlCoCrFeNi2.1(原子百分比，at.%)的约2.5 kg的合金锭在滴铸入Φ55 × 220 mm的MgO坩埚前至少熔化五次。合金工艺细节在以前的研究中详细阐述。通过电火花加工从铸锭中提取1 × 1 × 150 mm的试样，然后在环境温度下进行多程冷拉，使横截面积减少约90%。在每个拉深步骤和中等拉深速度(约200 mm / min)时进行轻微变形(直径减少约0.02 mm)。因此，不需要在每个拉伸步骤之后进行退火处理。冷拔丝的最终直径约为0.3 mm。在以上所有步骤完成后，将AlCoCrFeNi2.1线材在不同温度(分别为650℃、700℃和750℃，在空气中退火1 h，分别记为BFH 650、BFH 700和BFH 750)下进行退火，然后进行空气冷却。采用Zeiss Supra 55场发射扫描电子显微镜(SEM)和Tecnai G2 F30 S-TWIN透射电子显微镜(TEM)在300 kV电压下进行显微结构表征。为了进行SEM和EBSD观察，试样先用2500粒SiC纸机械研磨，然后在环境温度下直接电压为20 V的条件下，在90%乙醇和10%高氯酸(体积百分比，vol.%)的混合物中进行电化学抛光。在20 KV加速电压下，采用步长0.02 μm进行EBSD分析。TEM样品被机械研磨至约30 μm的厚度，随后用691型CS型离子束稀释剂稀释。采用材料测试系统(MTS)进行室温下的准静态单轴拉伸试验，应变速率恒定为1 × 10−3s−1。为了确认拉伸性能的再现性，每种处理条件至少进行了3次拉伸试验。在指定的应变值约5%、约15%和约30%(失效应变)下进行拉伸中断试验，以进行微观结构表征。在不同的指定应变下选择的区域从测量长度的中间或裂缝附近提取。在同一台MTS机器上进行了室温拉伸加载-卸载-再加载(LUR)实验。首先以应变速率为1 × 10−3s−1拉伸到一定应变，然后以卸载速率为40 N·min-1的负载控制方式卸载到4 N，，然后再加载到下一个指定的卸载应变。采用电火花加工工艺制备了长度为约70 mm的准静态单轴拉伸试样和LUR试样。

图1

AlCoCrFeNi2.1EHEAs的宏观结构

(a, b)从铸态样品和拉伸的BFH线中提取的初始状态和绘制的反向散射电子(BSE)图像。蓝色箭头表示拉伸方向，该方向也平行于纤维生长方向和拉伸加载方向。(c, d)竹子及其内部纤维微观结构示意图。(e)直径为~ 0.3 mm的AlCoCrFeNi2.1BFH线的摄影。

图2

AlCoCrFeNi2.1BFH线的显微组织

(a)显示替代深色B2纤维以及着色-FCC基质相的STEM图像(FCC基质与B2纤维之间的界面用虚线表示)和Al、Ni、Fe、Cr和Co元素分布的EDS图。(b) FCC和B2相的SADPs。白圈表示B2相中的超晶格衍射点。(c)显示FCC基体中析出相和退火孪晶的亮场图像。(d)左:EBSD图像显示BFH导线的整个IPF图。右图分别为B2相和FCC相的IPF图。(e)放大的IPF图显示晶粒形态和退火孪晶边界(粉红色线)。

图3

AlCoCrFeNi2.1BFH导线的力学响应

(a)BFH 650、700、750的工程应力-应变曲线。插图显示详细的拉伸性能。这里的屈服强度、极限抗拉强度和均匀伸长率分别用σy、σUTS和εU表示。(b)我们的AlCoCrFeNi2.1BFH HEA电线与先前报道的EHEAs和HEA纤维的拉伸强度和均匀应变比较。EHEAs: Ni30Co30Cr10Fe10Al8W2，Fe20Co20Al19Ni41，AlCoCrFeNi2.1，FeCrNi2.2Al0.8，AlCrFeNi3。HEAs纤维:Co10Cr15Fe25Mn10Ni30V10，Al0.3CoCrFeNi，CoCrFeMnNi，CoCrFeNi，CoCrNi，(NiCoCr)88Al10Ta2。(c)相应的应变硬化曲线。(d)BFH700的HDI应力(σHDI)和有效应力(σEff)随真应变变化的演变规律。插图显示放大的LUR循环，这是BFH 700的典型滞后循环。

图4

AlCoCrFeNi2.1BFH 700钢丝拉伸变形时组织的演变

(a-c)工程应变分别为约5%、15%和30%时微观结构演变的TEM图像。(a)与B2纤维中没有明显位错(应变为约5%)相比，FCC基质中激活的位错出现。(b)当应变增加(约15%)时，FCC基体的位错比B2纤维更密集。(c)拉伸至断裂(约30%)的微观结构在FCC基体和B2纤维中表现出明显的位错。(d)断裂区附近破坏后显微组织的SEM图像。纵切面和撕裂切面以白色虚线分隔。(e)由大量韧窝组成的高倍断口形貌。

综上所述，张勇教授团队通过拉伸工艺成功地在AlCoCrFeNi2.1 BFH EHEAs中引入了一种仿生竹纤维异质结构。结构BFH钢丝具有非凡的强度和延展性的协同作用，克服了强度-延展性的权衡。详细的组织分析和LUR试验表明，优异的HDI硬化效果是异常强度和高应变硬化的主要原因。此外，HDI效应延缓了脆性B2纤维的应变局部化，从而提高了拉伸延性。该工作为开发高性能纤维非均相共晶合金提供了指导。