物理学家首次发现超低温下高熵合金的多阶段变形

香港城市大学(城大)科学家领导与的一个国际研究团队,最近首次发现于超低温下,高熵合金(high-entropy alloys)的变形机制原来分为多个阶段,因而展现出非凡的力学性能。他们的发现或为研发应用于低温的新结构材料带来启示。

领导这项研究的是获选为美国中子散射学会会士(Fellow of the Neutron Scattering Society of America)的香港城大物理学系系主任兼讲座教授王循理教授。他与日本以及中国内地的科学家携手,对高熵合金在超低温下的变形行为进行原位研究。相关研究结果发表在最新一期的科学期刊《科学进展》 (Science Advances)上,题为〈Cooperative deformation in high-entropy alloys at ultralow temperatures〉。

中子散射技术:强大的测量工具

高熵合金是新型结构材料,具有多种卓越力学性能,例如拥有出色的强度兼延展性、高断裂韧性和耐腐蚀性。它由多种主要元素组成,所以衍生出复杂的变形行为。

一般而言,材料在低温下会因为原子被「冻住」了而失去流动的能力,所以变得易碎。但是,高熵合金反而在低温下具有很高的延展性,可以被拉伸到较大的变形。「这个现像在2014年首次被发现,但其背后的机制仍属未知,很引人兴趣。」 从那时起开始研究该变形机制的王教授说。王教授是这篇论文的通讯作者。

为了解开这个谜团,由王教授领导的研究团队利用原位中子衍射(中子散射的一种)技术,以研究高熵合金的变形过程。身兼城大中子科学技术中心主任的王教授解释说:「中子衍射测量是观察材料实际变形过程的仅有几种方法之一。我们可以观察到每个步骤:首先出现的是哪种机制,和机制之间如何互动,这些是用传统实验方法如透射电子显微镜所不能观察到的。」

王教授续说:「更重要的是,原位中子衍射技术可以在接近绝对零度的超低温下进行测量,而且测量到的是样本的整体情况,而并非只是它的表面或局部区域,并提供了变形过程的微观机制,例如材料的不同晶粒之间的相互作用。」

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研究团队成员之一的Muhammad Naeem 在日本质子加速器研究中心(J-PARC)内的工程材料谱仪TAKUMI上为实验作准备。研究人员用该设备对多种高熵合金进行原位中子衍射测量,样本均显示出多阶段的变形过程。

首次揭示各种变形机制出现的次序

透过使用原位中子衍射技术,研究团队首次揭示了高熵合金在超低温时出现各种变形机制的次序。他们发现温度降至15 K(K是绝对温度单位,15 K等同摄氏零下258.15度)时,高熵合金的变形分为四个阶段。

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CrMnFeCoNi(其中一款高熵合金)的样本在15 K时的变形通路图解。
图中垂直的虚线标示出变形行为的不同阶段:(1)位错滑移开始; (2)堆垛层错开始; (3)开始出现锯齿流变行为; (4)大量的锯齿流变与位错滑移的饱和同步。
(图片来源:DOI number: 10.1126 / sciadv.aax4002)

变形过程的第一个阶段是「位错滑移」(dislocation slip),即晶格面互相滑动,这是面心立方(face-centered cubic)晶体结构材料一种常见的变形机制。当位错滑移持续,「堆垛层错」(stacking faults)逐渐变得活跃并开始主导变形的过程,此时晶格平面的堆叠次序会因为变形而改变。接下来会出现「孪晶」(twinning),晶格平面的位向出现错误,导致出现母晶体的镜像。最后会过渡至「锯齿流变行为」(serration),高熵合金会呈现出大振幅的变形应力。

即将毕业的城大物理学系博士生兼高级研究助理Muhammad Naeem说:「观察这些机制如何在材料变形时发挥作用并相互配合,是很有趣的。」他是该论文的第一作者。

研究人员在实验中发现,随着温度降低,高熵合金显示出更高且更稳定的应变硬化(应变硬化意指材料在变形后变得更强及更硬),并且呈现出很大的延展性。研究人员对原位实验数据进行定量分析后得出结论:堆垛层错、孪晶和锯齿流变行为这三种观察所得的变形机制,以及这些机制之间的相互作用,正是高商熵合金具备卓越力学性能的原因。

未知的新领域:超低温下的高熵合金变形

研究团队用上将近三年完成整个研究,然而这个领域还有很多值得进一步探索之处。王教授说:「高熵合金在超低温时呈现的复杂变形机制,是一个全新领域,曾涉足探索的人并不多,而我们这项研究的结果仅仅显示了新领域的冰山一角。」

研究团队下一步将会研究其他合金何时会出现堆垛层错,以及它们在不同温度时的变形机制。Naeem说:「理解变形机制有助研发新合金。透过运用不同机制的协同效应,我们可以加以调控这些机制,使材料在低温环境应用时具备更佳的力学性能。」

研究团队中来自城大的成员包括大学杰出教授刘锦川教授、材料科学及工程学系副教授王锋博士,以及来自物理学系的王冰博士、兰司博士、吴桢舵博士和何海燕

其他共同作者包括北京科技大学的吕昭平教授与吴渊教授、日本质子加速器研究中心(The Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC)的Stefanus Harjo博士与川崎卓郎博士、以及哈尔滨工程大学的张中武教授。

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城大研究团队成员Muhammad Naeem(中)和何海燕(右一)与日本研究人员讨论研究的策略。
(香港城市大学王循理教授提供)

这项研究获得裘槎基金会、香港研究资助局、国家自然科学基金会、深圳市科技创新委员会以及中国科学技术部的资助。

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