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华南理工姚小虎教授团队研究成果揭示多主元合金内部多重相变路径的竞争关系

时间:2022-08-01单位:土木与交通学院浏览量:12

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  7月20日,华南理工大学土木与交通学院姚小虎教授研究组在固体力学顶级期刊International Journal of Plasticity在线发表论文“Phase transition in medium entropy alloy CoCrNi under quasi-isentropic compression”。该研究工作使用混合蒙特卡洛/分子动力学方法以及大规模的分子动力学模拟,针对多主元合金塑性变形与相变行为的各向异性和应变率相关性展开研究,并探究了化学短程有序结构与相变路径的联系。该研究有助于通过调控加载条件和多主元合金的局部化学环境,激活材料的多重相变路径,从而改善其在极端条件下的力学性能。

  多主元合金较低的层错能往往能够在变形中诱发马氏体相变,子相和母相的协同变形及相界面带来的强化效果在一定程度上改善了材料的强韧制约关系。运用该策略有望提升多主元合金在复杂服役环境下的力学性能。然而,高应变率加载下温度和压力的耦合导致目前的研究尚未厘清影响多主元合金相变行为的关键因素。

图1. (a)-(c)沿 [100]晶向加载,材料变形初期的晶体结构和化学短程序分布;

(d)-(e)不同应变率下,材料变形初期BCC团簇中的不同原子对占比。

  基于上述问题,姚小虎教授团队提出将温升与高压解耦的研究思路,采用准等熵压缩加载的方式对多主元合金的塑性变形与相变行为展开研究。通过原子模拟和晶体结构分析手段,对多主元合金的多重相变路径与加载晶向、应变率、压力以及内部化学短程序结构等因素之间的关联进行探讨。

图2.(a)-(c)不同加载晶向([100],[11 ̅0]和[111])的相变行为。

  研究揭示了化学短程序在变形初期诱导产生的异常体心立方团簇结构使得多主元合金沿[100]方向加载的初始塑性行为与应变率无关。而高应变率和大变形引起的位错累积可诱导材料发生固态非晶化相变。CoCrNi多主元合金在基态下倾向于形成HCP结构,而在高压下BCC结构则具有更好的相对稳定性。此外,化学短程序的存在提高了塑性变形能垒,因此含化学短程序的多主元合金具有更高的FCC-HCP相变临界压力。同时,化学短程序的存在促进了局部位错累积和带状HCP相之间的相互作用,使得化学短程有序度更高的多主元合金具有较低的BCC相成核临界压力。以上研究揭示了多主元合金塑性变形和相变路径的可调控性,有助于利用材料自身的特性进一步改善其在极端条件下的力学性能。

图3.(a)不同温度下FCC相与HCP相的势能差;

(b)不同相在能量最小化过程中的势能演化;

(c)-(d)高压下不同结构与FCC相的势能差随温度的变化关系。

  近年来,姚小虎教授课题组围绕新型先进金属材料在极端服役环境下的动态力学行为和变形破坏机理开展研究,相关研究成果已持续在固体力学和材料顶级期刊发表,在该研究领域产生了积极影响。

  本研究为华南理工大学姚小虎教授课题组与美国加州大学圣芭芭拉分校Irene J. Beyerlein教授课题组及斯坦福大学简武荣博士开展合作的研究成果。华南理工大学博士生谢卓成为第一作者,合作作者还包括加州大学圣芭芭拉分校Shuozhi Xu博士以及华南理工大学张晓晴、张闰教授。该工作得到了国家自然科学基金杰出青年基金和面上项目基金的支持。(图文/土木与交通学院 编辑/卢庆雷)


附:团队介绍

  华南理工大学姚小虎教授研究团队秉承“立足国家战略需求,聚焦前沿,开放包容“的研究思想,与国内外多家单位机构交流合作。国际上,与美国阿拉莫斯国家重点实验室、斯坦福大学、加州大学圣芭芭拉分校、普渡大学、南加州大学、德州农工大学联合开展多项研究工作,相关研究成果已在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》、《International Journal of Plasticity》、《Acta Materialia》、《Carbon》、《International Journal of Impact Engineering》等固体力学和材料领域顶级期刊上发表多篇论文。研究领域主要涉及非晶合金、多主元合金、碳化硅陶瓷、航空透明材料、聚合物软材料、碳纤维复合材料等在强动载下的变形、损伤和破坏机理。

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