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《金屬學(xué)報》王海豐、周青等工作：TiZrHfCuBe高熵非晶合金的納米劃痕力學(xué)行為

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2023-12-19  瀏覽次數(shù)：2899
非晶合金(MG)作為新興的先進(jìn)材料，由于其特殊的結(jié)構(gòu)、良好的熱塑性成形能力和優(yōu)異的力學(xué)性能。近年來，含有多個等原子或近等原子(5%~35%)比主元的高熵合金(HEAs)因具有獨特的結(jié)構(gòu)和性能而受到廣泛關(guān)注。得益于其高的構(gòu)型熵(?Sc>1.5R，R為氣體常數(shù))，HEAs即使在高溫下也通常表現(xiàn)出穩(wěn)定的單一無序固溶相結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一些HEAs體系具有大的負(fù)混合焓(?Hmix)、大的原子尺寸差(δ)以及高的?Sc時，在快速冷卻條件下可形成具有短程有序、長程無序的非晶結(jié)構(gòu)，并將這類合金命名為高熵非晶合金(HE-MG)。與傳統(tǒng)MG相比，HE-MG加熱時表現(xiàn)出更高的玻璃穩(wěn)定性，以及接近極限的強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕等性能，這使得其成為未來制造業(yè)中新一代結(jié)構(gòu)材料的備選材料之一。

西北工業(yè)大學(xué)的王海豐、周青等基于納米壓痕及劃痕技術(shù)研究了TiZrHfCuBe高熵非晶合金在不同劃動速率和不同加載速率下的納米劃痕行為，探究了高混合熵為其帶來的特殊結(jié)構(gòu)與其納米摩擦學(xué)性能間的內(nèi)在聯(lián)系。相關(guān)研究成果于2023年11月在《金屬學(xué)報》網(wǎng)絡(luò)首發(fā)。

研究人員選用非晶形成能力較好的TiZrHfCuBe HE-MG，使用WK-Ⅱ型非自耗真空電弧熔煉及負(fù)壓吸鑄系統(tǒng)制備出實驗所需的HE-MG樣品。板狀HE-MG樣品制備通過水冷銅模吸鑄法在WK-Ⅱ型非自耗真空電弧熔煉及負(fù)壓吸鑄系統(tǒng)中進(jìn)行。使用電火花線切割機(jī)將鑄錠切割為10mm×10mm×4mm尺寸的試樣。TiZrHfCuBe HE-MG樣品的微觀結(jié)構(gòu)通過Talos F200X高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)進(jìn)行分析（圖1）。熱穩(wěn)定性用DTA 449F3差示掃描量熱儀(DSC)進(jìn)行分析。樣品的微力學(xué)響應(yīng)首先通過納米壓痕進(jìn)行分析。納米壓痕實驗在Hysitron TI950高精度納米壓痕測試系統(tǒng)的位移控制測試模式下進(jìn)行。納米劃痕實驗在配備有掃描探針顯微成像技術(shù)模塊(SPM)的NanoTest Vantage系統(tǒng)上進(jìn)行，納米劃痕實驗結(jié)束后，利用SPM對劃痕后留下的表面磨損痕跡進(jìn)行成像并和研究（圖2-4）。結(jié)果表明：DSC實驗結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)鈦基非晶合金的過冷液相區(qū)寬度相比，TiZrHfCuBe高熵非晶合金具有更寬的過冷液相區(qū)寬度，表明其具有更高的熱穩(wěn)定性。納米壓痕結(jié)果顯示，TiZrHfCuBe高熵非晶合金不同區(qū)域的納米壓痕硬度均接近其理論值90%以上，表明其微觀結(jié)構(gòu)由缺陷較少的剛性基體均勻構(gòu)成。在納米劃痕實驗中，隨著劃動速率的增大，TiZrHfCuBe高熵非晶合金的刻劃深度基本保持不變，但是殘余劃痕深度卻逐漸減?。▓D5）。這歸因于劃動速率增加遲滯了TiZrHfCuBe高熵非晶合金微觀結(jié)構(gòu)中剪切轉(zhuǎn)變區(qū)激活以及隨后的剪切變形，從而導(dǎo)致劃痕過程中的犁溝系數(shù)逐漸減?。▓D6），殘余深度降低。在變加載速率的納米劃痕實驗中，隨著加載力的增加，結(jié)構(gòu)中的用于剪切變形過程中剪切帶形核的剪切轉(zhuǎn)變區(qū)激活以及隨后的剪切變形遲滯效應(yīng)逐漸減小，導(dǎo)致塑性犁溝系數(shù)和劃痕深度的逐漸增大。該項工作為開發(fā)具有優(yōu)異摩擦磨損性能的HE-MG提供了新的設(shè)計思路。

該項工作得到了國家自然科學(xué)基金（51975474）中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目（3102019JC001）等的支持。




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