研究前沿：Science观点-结构层次设计-抵御高熵合金开裂
编者按：今日，悉尼大学航空航天、机械和机电工程学院安祥海在Scinece上发文，评述了通过结构层次设计，在延展性多组分合金内部形成的人字形结构，可实现裂纹容限，从而抵御高熵合金开裂缺陷。
高性能合金，在制造、基础设施和运输等要求严苛的工程应用中，发挥着至关重要的作用。在结构应用中，它们必须坚固、延展、耐用和耐损坏。然而，这些特性目前无法同时获得。在受拉材料中，产生的微裂纹，倾向于快速且不稳定地扩展。反过来，这个过程会在使用过程中导致灾难性的故障，或者会产生在裂纹尖端附近，高度局部化的应变，这使得材料在加工过程中，难以均匀变形。今日，上海大学钟云波团队，北京科技大学王沿东团队在Science上发文，表明定向凝固 (DS) 共晶高熵合金 (EHEA) 形成了一种分层有序的人字形微观结构，可提供多尺度裂纹缓冲。这种材料在大拉伸变形下表现出优异的损伤容限，以及超高的均匀伸长率。
金属的塑性，主要来自位错的运动，因此，为了提高金属的承载能力，可以引入各种内部缺陷，来阻碍位错运动。然而，将材料的强度提高到较高水平，总是会导致韧性（材料的抗断裂性）和延展性（材料的拉伸性而不断裂）急剧下降。当位错塑性低时，高的局部应变能，不能在高强度材料中有效耗散，因此，裂纹容易产生和扩展。因此，许多新的高强度合金，不能用于安全关键的结构部件，如飞机喷气发动机、核安全壳和风力涡轮机，因为不能满足损伤容限要求。
从历史上看，合金设计仅限于单一的主要元素，例如钢是铁，青铜是铜，超级合金是镍。最近，多主元素合金 (MPEAs)，其中三种或更多主要元素，如 CoCrNi、CoCrFeNiMn 和 TiZrHfNb，以大致相等的量混合（见图），开辟了广阔的组成空间。在原子水平上，各种元素的组成和堆积排列的统计波动，为调整特性和功能提供了许多机会。
跨多个长度尺度的局部化学和结构异质性的结合，可以大大提高材料性能。例如，裂纹容限和拉伸延展性的组合。通过设计DS-EHEA（一种 MPEA）实现，显示了多尺度空间异质性。化学复杂性，发生在原子尺度和微米尺度，交替形成具有不同立方晶体结构的软硬片晶。这些结构，依次构成沿 DS 方向排列或倾斜的大块不同的共晶群，构成分层排列的人字形微观结构（见图）。
在具有有限变形能力的硬薄片中，初形成微裂纹。具有强应变硬化能力的邻接微观结构特征，促进了局部能量的耗散，从而使裂纹尖端变钝。这些裂缝，被阻止并限制在单个薄片内，从而阻止了不稳定传播和灾难性渗透。持续的成核和生长，使这些微裂纹产生了外在塑性，弥补了脆性相的低延展性，并实现了可持续的均匀变形。与常规凝固合金相比，自缓冲人字形 EHEA 的延展性提高了三倍，同时，具有出色的损伤容限和同时 增强强度和韧性。
分级化学和纳米结构异质性工程，预示着一种开发高性能合金的新方法。调整局部成分波动，可能会在很大程度上，改变材料对脆性等外部刺激的反应的性质。在单个纳米结构中产生内部缺陷（见图），可以激活多种强化和增韧机制 。可以对异质微结构进行编程，以触发各种内在和外在变形机制。
这个设计概念，需要识别和量化哪些材料参数，赋予特定属性，以帮助阐明这些属性，如何在层次结构中发展。一个集成的计算和实验协议，结合数据科学，可以加速建立统一的设计原则，和未来机械合金设计的科学框架。另一个艰巨的难题，是精确控制和组织空间局部化学和结构异质性。先进的增材制造技术，可以通过专门的多尺度加工控制，释放这种新合金设计概念的全部潜力，以帮助应对重大的经济、能源和环境挑战。
文献链接：https://science.sciencemag.org/content/373/6557/857
DOI: 10.1126/science.abk1671
本文译自“Science”。