超高速應(yīng)變下高熵合金的強(qiáng)韌化機(jī)制

作為目前研究最為廣泛的高熵合金，Cantor合金（CrMnFeCoNi）在低溫準(zhǔn)靜態(tài)載荷下具有超強(qiáng)的斷裂韌性，且在室溫下的吸能性能與傳統(tǒng)裝甲合金和許多商用結(jié)構(gòu)材料相比也體現(xiàn)出相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，使其在抵抗高速變形方面具備巨大的應(yīng)用潛力。但對高熵合金在高速變形、尤其是彈道沖擊等超高速應(yīng)變下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和強(qiáng)韌化機(jī)制始終缺少系統(tǒng)的理論研究。

阿爾伯塔大學(xué)李東陽院士團(tuán)隊(duì)基于分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬了高熵合金對彈道沖擊和拉伸沖擊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，首次對超高速應(yīng)變下高熵合金中不同強(qiáng)化機(jī)制的協(xié)同作用進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并從鍵合強(qiáng)度的角度出發(fā)提出了高熵合金抗沖擊性能的調(diào)控策略。該研究以Dynamic response of high-entropy alloys to ballistic impact為題發(fā)表在Science Advances上。

在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了CrMnFeCoNi與CrFeCoNi板材在室溫下的抗彈道沖擊性能，并對比了兩者在彈道沖擊下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征。結(jié)構(gòu)分析表明，相比于含錳的CrMnFeCoNi，不含錳的CrFeCoNi中更為活躍的平面滑移位錯(cuò)有效地抑制了結(jié)構(gòu)損傷在材料中的進(jìn)一步擴(kuò)展。

因此，研究團(tuán)隊(duì)通過層錯(cuò)能計(jì)算和低溫下拉伸沖擊的分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了溫度和應(yīng)變速率對這兩種高熵合金塑性變形機(jī)制的影響。

CrFeCoNi在高速變形過程中表現(xiàn)出了更好的應(yīng)變硬化能力和更高的韌性，這應(yīng)當(dāng)歸因于其更強(qiáng)的金屬鍵和更高的位錯(cuò)密度。而CrMnFeCoNi中錳元素的存在削弱了其金屬鍵強(qiáng)度，導(dǎo)致其硬化區(qū)域更容易發(fā)生局部失效。

可見，高熵合金在彈道沖擊等超高速應(yīng)變過程中的強(qiáng)韌化是位錯(cuò)強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、孿晶強(qiáng)化、非晶化等多種強(qiáng)化機(jī)制間協(xié)同/競爭作用下的復(fù)雜結(jié)果，同時(shí)金屬鍵強(qiáng)度的調(diào)控也是高熵合金塑性變形機(jī)制設(shè)計(jì)中必須充分考量的因素。對于特定的高熵合金系統(tǒng)，降低其中低功函數(shù)組分的比例可以在保持原有變形機(jī)制優(yōu)勢的同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的金屬鍵，從而有效提高材料在超高速應(yīng)變下的硬化效率和韌性，實(shí)現(xiàn)材料的吸能性能和抗沖擊性能的大幅提升。