Hetero-structuring engineering and strength/toughness-enhancing mechanism in multi-principal element alloys

面心立方 (FCC) 多主元合金，凭借优异的拉伸塑性和断裂韧性受到广泛关注，但与典型工程合金材料，如奥氏体不锈钢相比，其屈服强度不足，以及强化后韧塑性偏低，乃是该类合金材料主要的力学性能短板。对此，如何有效提高强化后合金的加工硬化率，是需要考虑的首要科学问题。近来，异构构筑及其在后续变形过程中展现出的异构变形诱导 (HDI) 力学效应，为解决上述材料强韧化问题提供了新的力学思路。HDI效应很大程度上取决于异构界面设计构筑和优化调控。异构界面实为一种力学上的约束性协调界面，其在材料变形和断裂过程中主要功用：一是促进及诱发应变协调和HDI硬化；二是引入及强化裂纹偏折、分层、分叉和钝化等外禀韧化机制从而实现止裂增韧。 基于此，为进一步证实异构可能诱发的额外增塑、韧化效应，本研究有针对性地，分别研制出单相 (CrCoNi)99.8P0.02和沉淀硬化型Al0.5FeCoCrNi1.5等两种FCC基多主元合金 (MPEAs)，并在其中可控构筑出层状、P元素偏聚等两种异构界面，通过显微硬度、准静态拉伸、加卸载、断裂韧性等跨尺度力学测试，结合OM、SEM、EBSD、TEM、HRTEM和3DAPT等多层级微结构表征，探索两种异构FCC基MPEAs的优异力学性能，尝试建立相应结构-性能关系。主要结论如下： (1) 设计构筑了一种晶界偏聚异构(CrCoNi)99.8P0.02 MPEA，揭示其晶粒长大规律和Hall-Petch关系。研究表明，经铸造及不同温度固溶退火后，该合金均具有完全FCC结构。P元素合金化后，分别固溶于晶粒内部，及偏聚于晶界处。对于1273 K退火样品，晶内固溶和晶界偏聚浓度，分别达约0.09 at.%和0.86 at.%。与传统CrCoNi MPEAs相比，晶内固溶P元素降低了合金的晶粒长大指数，增加了晶格畸变程度，将晶格摩擦力由参比合金的218 MPa 提升至该合金的242 MPa；晶界偏聚P元素提高了晶界热稳定性，将晶界迁移激活能由251 kJ/mol提升至339 kJ/mol；同时，P元素添加还显著提高了晶界强化贡献量，将Hall-Petch系数由265 MPa&mu;m1/2提升至460 MPa&mu;m1/2。在低温 (77 K) 下，该合金的晶格摩擦力和Hall-Petch系数得到了进一步提高，分别达507 MPa和636 MPa&mu;m1/2，促进了在塑性应变早期出现了由变形层错取代典型位错平面滑移的特征。 (2) 揭示晶界偏聚异构(CrCoNi)99.8P0.02 MPEA的超大塑性和层错增塑机制。研究发现，与经典CrCoNi MPEAs相比，(CrCoNi)99.8P0.02 MPEA具有更低的的晶格常数和层错能，以及更高的屈服强度和均匀伸长率。在相同屈服强度水平下，其室温拉伸均匀塑性高达90%，远优于CrCoNi、以及其他元素掺杂的CrCoNi-(C, N) MPEAs。晶界偏聚异构MPEA屈服强度的增强，可以归因于晶格畸变加剧导致的置换固溶强化效应增强，以及P元素在晶界偏聚所产生的晶界强化效应。在拉伸变形过程中，由于较低的平均层错能甚至更低的原子尺度局部层错能，导致发达的变形层错墙分割网络形成、以及丰富变形纳米层错充斥分割网格之间，形成了边界间距约数至数十纳米的平行六面体畴，使初始微结构发生显著动态分割及细化。这种层错诱导的微结构动态分割和细化，一方面阻碍位错滑移，提高流变应力，另一方面在层错界和畴内大量缠结和积累位错，导致HDI应力和加工硬化的显著提高，从而实现了高强度-超大塑性匹配。 (3) 设计构筑一种层状异构Al0.5FeCoCrNi1.5 MPEA，揭示层状异构形成和演化机制，阐明&gamma;&prime;-Ni3Al和B2-NiAl双析出沉淀硬化效应及其时效动力学。研究表明，层状异构由严重拉长粗晶与部分再结晶超细晶区域交替排列构成，其内部含有大量晶界B2-NiAl沉淀相、以及晶内&gamma;&prime;-Ni3Al纳米共格沉淀相。其中，B2-NiAl晶界相的Zener界面钉扎效应，是提高层状异构界面热稳定性，以及层状异构形成的主控微观机制；而晶内密实的纳米尺度&gamma;&prime;-Ni3Al共格L12有序相是该合金的主要强化相，经773-973 K时效后，该层状异构MPEAs实现沉淀硬化增量可达1.0 GPa；相应地，在过时效阶段，&gamma;&prime;-Ni3Al相回溶/分解和B2-NiAl相粗化是其主要的软化机制。此外，层状异构的在拉伸变形过程中，展示出显著的HDI强化及加工硬化，实现了屈服强度与均匀伸长率的协同提高。 (4) 探明层状异构Al0.5FeCoCrNi1.5 MPEA的优异断裂韧性，揭示层状异构抑制裂纹萌生及扩展的丰富韧化行为，并提出异构界面止裂机制。研究表明，该层状异构MPEA的断裂韧性则来自于内禀和外禀增韧两方面。其中，林位错硬化和HDI硬化共同促使层状异构裂纹尖端具有大的塑性区尺寸和加工硬化能力，在裂纹萌生能量消耗，使其主要的内禀韧化机制；当裂纹在层状异构内扩展时，由于层状异构界面两侧具有显著力学行为响应差异、以及不同应力状态和时效结构，从而诱导扩展裂纹发生偏折、分层、分叉和钝化等丰富止裂行为，在高强度下实现充分能量耗散和增韧。此外，在层状异构MPEA中建立了裂纹尖端塑性区硬化水平与断裂韧性之间的正比关系方程，为异构材料断裂韧性和裂尖微区能量耗散等的高效定量评价提供依据及参考。</p

Simultaneous improvement of strength and ductility in a P-doped CrCoNi medium-entropy alloy

A newly developed P-doped CrCoNi medium-entropy alloy (MEA) provides both higher yield strength and larger uniform elongation than the conventional CrCoNi MEA, even superior tensile ductility to the otherelement-doped CrCoNi MEAs at similar yield strength levels. P segregation at grain boundaries (GBs) and dissolution inside grain interiors, together with the related lower stacking fault energy (SFE) are found in the P-doped CrCoNi MEA. Higher hetero-deformation-induced (HDI) hardening rate is observed in the Pdoped CrCoNi MEA due to the grain -to -grain plastic deformation and the dynamic structural refinement by high-density stacking fault-walls (SFWs). The enhanced yield strength in the P-doped CoCrNi MEA can be attributed to the strong substitutional solid -solution strengthening by severer lattice distortion and the GB strengthening by phosphorus segregation at GBs. During the tensile deformation, the multiple SFW frames inundated with massive multi-orientational tiny planar stacking faults (SFs) between them, rather than deformation twins, are observed to induce dynamic structural refinement for forming parallelepiped domains in the P-doped CoCrNi MEA, due to the lower SFE and even lower atomically-local SFE. These nano-sized domains with domain boundary spacing at tens of nanometers can block dislocation movement for strengthening on one hand, and can accumulate defects in the interiors of domains for exceptionally high hardening rate on the other hand. (c) 2024 Published by Elsevier Ltd on behalf of The editorial office of Journal of Materials Science & Technology

30Mn7Al汽车钢的力学性能与微观结构

提出一种成分为0.3C-7Mn-0.5Al (质量分数，%)的新型第三代汽车钢，通过20%～65%冷轧及后续625～675℃退火处理，获得近等比马氏体/亚稳奥氏体双相组织，具有1.0 GPa以上拉伸屈服强度，以及60～75 GPa·%强塑积(抗拉强度与断后伸长率之积)。原位拉伸观测表明，冷轧退火态样品表现出多重非均匀塑性变形特征：在初始塑性应变阶段，显示出屈服降及吕德斯应变平台；在随后的加工硬化硬化阶段，产生动态应变时效诱导应力阶跃。通过变形微结构的EBSD、TEM和3D-APT观测指出，动态微带变形及局部相变传递使样品在更大应变范围内持续应变硬化，是实现其优异力学性能主要微观机制

Enhanced strength-ductility synergy in a gradient hetero-structured CrCoNi medium-entropy alloy

A CrCoNi medium-entropy alloy (MEA) with gradient hetero-structure (GHS) composing of gradient nanostructured surface layer and hetero-structured matrix was prepared via a two-step process: pre-cold rolling (CR) deformation and subsequent annealing followed by surface mechanical grinding treatment (SMGT) and secondary annealing. The GHS CrCoNi exhibits an excellent synergy of strength and ductility, as evidenced by a yield strength of approximately 1.2 GPa and a uniform elongation of about 20%. The GHS displays a pronounced hetero-deformation induced (HDI) hardening effect, whereby the central layer (CL) and surface layer (SL) undergo local strain hardening in a mutually compatible manner. This process facilitates the multiplication and accumulation of geometrically necessary dislocations (GNDs) at intra- and inter-layer hetero-interfaces and also activates the deformation faulting and twinning in both CL and SL, thus enhancing the overall mechanical response. The interlayer compatible deformation observed in the GHS significantly bolsters the sustainability of strain hardening at the microscopic scale. This effect is of significant importance in redistributing stress and strain more rationally across the entire GHS sample, effectively reducing the risk of localized deformation failures. This study offers insight into the correlation between macroscopic strain hardening and micromechanical behavior in gradient-/hetero-structured materials

基于能值的绿洲农业可持续发展情景分析——以新疆伊宁县为例/Emergy Based Sustainability Scenario Analysis of Oasis Agricultural Systems: A Case Study from Xinjiang, China[J]

如何协调干旱区生态环境保护与绿洲农业生态化发展之间的关系,避免绿洲系统的荒漠化,是实现绿洲人地系统可持续发展过程中亟待解决的关键问题.本文以伊宁县为例,利用能值分析和相图理论,深入分析了温带干旱区绿洲农业生产系统的时序演化状况与发展趋势,进而提出了相应的调控措施.研究结论如下:(1) 1989-2008年,伊宁县绿洲农业生态系统的能值总投入和总产出均呈持续增长趋势.(2)基于能值指标的可持续性分析表明,目前伊宁县农业生产系统仍处于可持续发展的状态,但可持续发展指数ESI呈现出波动下降的趋势；(3)基于相图理论的可持续线情景分析表明,F导向模式和N导向模式均有其局限性,在伊宁县农业生产系统今后的发展中,应采取R导向模式.即保持系统中当地不可更新资源利用比率的基本稳定,使得经济反馈能值的使用比率和本地不可更新资源的使用比率同步减少,籍此提高当地可更新资源对农产品生产的贡献率,保证系统的可持续发展