近日，北京理工大学材料学院在共格纳米析出相强化高熵合金的绝热剪切机理研究方面取得新进展。金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》在线发表了题为 “Novel mechanism of ultra-high adiabatic shear susceptibility in FCC-based high-entropy alloys via high-content nanoprecipitate dissolution” 的研究论文。
动能穿甲弹芯材料，一方面要求高的绝热剪切敏感性（易失稳），以诱导弹芯发生剪切失效，促使弹芯头部保持尖锐（自锐化），进而减少穿甲阻力；另一方面，又要求良好的加工硬化能力（抗失稳），以确保优异的强韧性，促使弹芯保持结构完整，以减少动能损耗。因此，追求“抗失稳”与“易失稳”的矛盾统一，是穿甲弹芯材料的重要挑战之一。然而，具有强剪切敏感性的体心立方（BCC）合金一般加工硬化能力不足，具有良好加工硬化能力的面心立方（FCC）合金却普遍缺乏足够的剪切敏感性。
已有研究表明，通过高密度纳米析出相与基体相的变形不匹配，可促进局部应变集中，有利于诱发剪切失稳，但该机制对提升FCC合金的剪切敏感性的作用有限。为此，团队提出若能促使局部应变集中区域的析出相快速回溶，则有望实现剪切区域强度的急剧下降，以极大提升剪切敏感性。基于这一想法，结合高熵合金的全域晶格畸变与迟滞扩散效应，团队研制出了兼具“抗失稳”与“易失稳”矛盾特性的新型高强韧FCC结构高熵合金。如图1所示，与传统强失稳BCC合金相比，该合金表现出良好的加工硬化能力，具有抗失稳特性，但又以更低的临界应变发生绝热剪切失效，表现出易失稳特性。
图1. Al0.5Cr0.9Fe1Ni2.5V0.2展现出良好的加工硬化能力和超高的绝热剪切敏感性
该论文深入分析了促成析出相快速回溶的动力学过程，发现高熵合金析出相的纳米结构和低能量界面对回溶软化的实现具有决定性作用：一方面，高构型熵赋予了合金较低的析出相回溶温度；另一方面，纳米尺度显著缩短了溶解过程中原子的扩散路径，而低能量界面既避免了析出相的粗化，又降低了界面对原子的扩散阻力。上述因素协同作用，使析出相在较低温度下即可发生快速溶解。这种新的绝热剪切带形成机制为设计兼具高强韧、良好的加工硬化能力与高绝热剪切敏感性的合金提供了全新的思路。
图2. 纳米结构和低能量界面促进了析出相的快速回溶，产生急剧软化作用，显著加速剪切带的形成
北京理工大学材料学院肖遥博士和先进结构技术研究院曾庆磊副教授为论文的共同第一作者，北京理工大学材料学院薛云飞教授为通讯作者。西安交通大学丁俊教授和荀凯辉博士在分子动力学模拟分析方面提供了重要支持；香港城市大学任洋教授、南京理工大学沙刚教授、北京理工大学陈浩森教授和朱盛鑫副教授在原位同步辐射实验、三维原子探针分析及动态原位测温等关键技术环节中给予了重要指导。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425005671
