無(wú)懼裂紋！新型魚(yú)骨結(jié)構(gòu)“如魚(yú)得水”！

不起眼的小裂紋，往往是造成大工程部件過(guò)早斷裂失效，引發(fā)安全事故的禍根。因此，在傳統(tǒng)理念中，人造延展性材料是難以寬容裂紋的，但這也伴隨著令人失望的低拉伸塑性。如何讓裂紋與性能“化敵為友”，提高材料塑性，一直是科研人員難以化解的矛盾。

在8月20日發(fā)表在《科學(xué)》的一項(xiàng)研究中，上海大學(xué)教授鐘云波團(tuán)隊(duì)和北京科技大學(xué)教授王沿東團(tuán)隊(duì)等合作，通過(guò)一種新型共晶高熵合金材料解決了這一矛盾，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)這種材料被可控的凝固成類似魚(yú)骨的多級(jí)共晶結(jié)構(gòu)時(shí)，高密度裂紋不僅不會(huì)惡化性能，反而可以做為一種有效的應(yīng)變補(bǔ)償者去改善材料塑性。

鐘云波在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，這種結(jié)構(gòu)和機(jī)理可以應(yīng)用于跨海大橋、高層建筑、核電、火電、航空航天、大型鋼構(gòu)件等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料，有望極大地改善其服役安全性。

從“畏懼”裂紋到“控制”裂紋

在以往人們的認(rèn)知中，裂紋猶如惡性的“導(dǎo)火索”，它們?yōu)碾y性的生長(zhǎng)、擴(kuò)展，極易觸發(fā)材料的整體提前斷裂，因而終止了材料后續(xù)的可變形能力和可塑性加工性。要保證工程部件的安全性，通常需要將裂紋“扼殺在搖籃里”。

該論文的第一作者、上海大學(xué)博士生時(shí)培建告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，絕大多數(shù)工程部件的異常斷裂失效，例如大橋鋼結(jié)構(gòu)的斷裂、建筑物鋼結(jié)構(gòu)的坍塌、雪災(zāi)中電力支架的崩塌等，都是由于所用結(jié)構(gòu)材料中微裂紋的產(chǎn)生以及隨后的不可控?cái)U(kuò)展造成。

“材料中出現(xiàn)的微裂紋，在應(yīng)力作用下將快速擴(kuò)展成宏觀裂紋，最終觸發(fā)工程部件的過(guò)早失效，對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大威脅。”他解釋道，即使原始材料中沒(méi)有裂紋，但當(dāng)局部形變能力被耗盡時(shí)，裂紋將不可避免地產(chǎn)生，問(wèn)題的關(guān)鍵在于裂紋的擴(kuò)展是否可控。

“如果讓裂紋的生長(zhǎng)維持在可控的范圍內(nèi)，即使產(chǎn)生高密度裂紋，但又能防止它們聚合長(zhǎng)大，這樣就能保證材料不但不失效，還能彌補(bǔ)材料塑性?！辈┦恳荒昙?jí)時(shí)，在鐘云波的指導(dǎo)下，時(shí)培建就開(kāi)始思考如何直面裂紋，并且控制它，利用它。

然而，控制“叛逆”的裂紋并不容易。在人造延展性材料中寬容裂紋是違反直覺(jué)的，因?yàn)檫@些裂紋通常萌生于局部嚴(yán)重塑性變形區(qū)域，而此處的組織結(jié)構(gòu)通常不具備持續(xù)的應(yīng)變硬化能力，因此，這些裂紋的傳播無(wú)法被及時(shí)有效地緩沖和控制住。

雖然有些金屬?gòu)?fù)合材料表現(xiàn)出裂紋寬容能力，但也只能幫助材料獲得有限的額外拉伸塑性。“總的來(lái)說(shuō)，在人造材料中，裂紋寬容輔助的整體延伸率往往沒(méi)有我們期待那樣高?！睍r(shí)培建說(shuō)。

“如魚(yú)得水”的結(jié)構(gòu)

通過(guò)將近三年的探索，鐘云波團(tuán)隊(duì)最終在一種新型的共晶高熵合金材料中，找到了解決廣泛的裂紋產(chǎn)生與高的拉伸塑性之間相沖突的辦法。

他們通過(guò)采用獨(dú)特的凝固組織控制手段，沒(méi)有將共晶層片組織設(shè)計(jì)成常見(jiàn)的單向排列結(jié)構(gòu)，而是將共晶高熵合金材料中均勻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)凝固成類似魚(yú)骨的多級(jí)共晶層片結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在不犧牲強(qiáng)度的情況下，這種共晶魚(yú)骨高熵材料獲得了優(yōu)異的斷裂韌性，特別是其延伸率達(dá)到了前所未有的50%，是傳統(tǒng)鑄態(tài)共晶材料的3倍。

共晶高熵合金是新興的一類多主元的天然復(fù)合材料，具有自由排列的異質(zhì)層片結(jié)構(gòu)，F(xiàn)CC層片（軟性相）和BCC層片（硬性相）交替共生?！蔼?dú)特的組織結(jié)構(gòu)是提升合金材料性能的最重要手段之一，而常規(guī)的微結(jié)構(gòu)控制工藝已經(jīng)很難取得更大進(jìn)步，采用極端的制備工藝來(lái)控制合金材料的組織結(jié)構(gòu)，已成為冶金和材料等領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。”鐘云波表示。

為此，研究團(tuán)隊(duì)率先提出了超常冶金和超常制備的思路，即綜合利用冶金學(xué)和材料學(xué)的相關(guān)知識(shí)，引入外場(chǎng)、變重力、快速凝固、極端制備等條件，以探索制備更高性能的結(jié)構(gòu)和功能材料。

起初，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制軋制和熱處理的方法，實(shí)現(xiàn)了共晶高熵合金中的異質(zhì)微層片遺傳和優(yōu)良強(qiáng)塑性。隨后，他們又提出了一個(gè)新的設(shè)想，如果將共晶高熵合金中的雙相異質(zhì)層片，在凝固過(guò)程中就對(duì)其進(jìn)行控制，形成定向生長(zhǎng)的多級(jí)層片結(jié)構(gòu)，能否提升材料的性能呢？

為了驗(yàn)證這一設(shè)想，他們采用了獨(dú)特的定向凝固設(shè)備——超常凝固制備，通過(guò)對(duì)熱流、拉速、溫度梯度、過(guò)熱度、合金成分等多因素的調(diào)控，發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料形成常見(jiàn)的單向排列細(xì)層片結(jié)構(gòu)時(shí)，材料的性能并沒(méi)有得到大幅提升，而當(dāng)材料結(jié)構(gòu)被可控地凝固成魚(yú)骨狀的層片結(jié)構(gòu)時(shí)，共晶高熵合金卻顯現(xiàn)出獨(dú)特的多級(jí)裂紋緩沖能力，因而帶來(lái)了顯著的性能改善。

“在共晶高熵合金中，多級(jí)魚(yú)骨狀的共晶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傾向于在拉伸變形時(shí)觸發(fā)高密度裂紋的產(chǎn)生，然而，結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的多級(jí)裂紋緩沖阻止了裂紋在~25%的巨大應(yīng)變范圍內(nèi)發(fā)生災(zāi)難性的長(zhǎng)大和破壞。”時(shí)培建解釋道，“因此，在這種結(jié)構(gòu)中，高密度的裂紋不但沒(méi)有惡化延伸率，反而作為一種有效的增塑策略，補(bǔ)償了變形能力差的片層的有限拉伸塑性?！?/span>

鐘云波表示，這種仿生魚(yú)骨結(jié)構(gòu)以及伴生的強(qiáng)裂紋緩沖效應(yīng)，對(duì)設(shè)計(jì)高延伸率的多級(jí)結(jié)構(gòu)材料以及開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良斷裂韌性的有色合金材料、特殊鋼材料、復(fù)合材料、新型骨替代生物材料等均具有很好的指導(dǎo)作用。此外，這種仿生的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和理念對(duì)于指導(dǎo)更廣泛的共晶型高熵以及傳統(tǒng)合金的性能改善也具有顯著的實(shí)際意義。

大科學(xué)裝置助攻

實(shí)際上，制備出高性能的結(jié)構(gòu)和功能材料后，還有一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，就是解釋其強(qiáng)化機(jī)制及其伴生的多級(jí)裂紋緩沖效應(yīng)。然而，這種定向凝固的共晶魚(yú)骨材料涉及材料學(xué)、仿生學(xué)、凝固學(xué)等多學(xué)科，要想探明其背后機(jī)理，并非易事。

王沿東告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，高熵合金中BCC層片的裂紋形成與特殊相變密切相關(guān)。這種相變不同于傳統(tǒng)相變，常見(jiàn)的技術(shù)難以解析，只能通過(guò)大科學(xué)裝置來(lái)識(shí)別。

但即使利用大科學(xué)裝置，研究共晶魚(yú)骨材料也極具挑戰(zhàn)?！斑@種材料接近于單晶體，相較于多晶體和粉末等，單晶體相變與應(yīng)力研究是最困難的。因?yàn)樘綔y(cè)器是二維的，而單晶體好比是三維立體的‘導(dǎo)儀球’，要想通過(guò)二維探測(cè)器獲得‘導(dǎo)儀球’上每個(gè)倒易衍射點(diǎn)的信息，就必須轉(zhuǎn)動(dòng)試樣，而且整個(gè)試樣轉(zhuǎn)動(dòng)還必須做到全覆蓋?！蓖跹貣|說(shuō)。

然而，并非“導(dǎo)儀球”上所有衍射點(diǎn)的信息都是有效的，判斷抓取哪些點(diǎn)是開(kāi)展研究的關(guān)鍵。早在20多年前，王沿東就開(kāi)始從事基于同步輻射源的高能x射線與中子衍射應(yīng)用金屬材料結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)分析與表征研究，憑借豐富的經(jīng)驗(yàn)，僅在美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了3次實(shí)驗(yàn)后，他們就獲得了該材料所需的數(shù)據(jù)信息。

獲取數(shù)據(jù)后更大的挑戰(zhàn)是分析數(shù)據(jù)?！岸嗑w的每個(gè)衍射環(huán)上都有數(shù)據(jù)，而單晶體可利用的數(shù)據(jù)卻很少，利用少量數(shù)據(jù)去推算應(yīng)力信息是非常困難的?！蓖跹貣|說(shuō)，為此，他們改進(jìn)了分析方法，通過(guò)在單晶體里取特定方向的點(diǎn)來(lái)準(zhǔn)確估算材料的應(yīng)力。

經(jīng)過(guò)近半年的數(shù)據(jù)分析，他們最終探明了所研究材料中兩相的變形和斷裂機(jī)制及其應(yīng)力配分，研究表明，定向凝固材料拉伸塑性的顯著提高歸因于其多級(jí)的魚(yú)骨結(jié)構(gòu)和形變誘導(dǎo)特殊相變帶來(lái)的強(qiáng)裂紋緩沖效應(yīng)。

鐘云波表示，目前，這種結(jié)構(gòu)和機(jī)理已經(jīng)在高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金、工模具鋼等傳統(tǒng)材料中進(jìn)行了很好地推廣應(yīng)用，未來(lái)將在更多的材料中進(jìn)行探索嘗試。

在他看來(lái)，對(duì)于新興的合金材料和結(jié)構(gòu)，一方面需要不斷優(yōu)化改良其性能，另一方面需要在更多其它方面進(jìn)行深入研究，揭示更多潛在的有趣特征，例如抗氫脆性能、耐腐蝕性能、高溫性能等，并根據(jù)這些性能特征綜合評(píng)估其應(yīng)用領(lǐng)域和服役場(chǎng)景。