《金属学报》王海丰、周青等工作：TiZrHfCuBe高熵非晶合金的纳米划痕力学行为

发布日期：2023-12-19 浏览次数：2682

非晶合金(MG)作为新兴的先进材料，由于其特殊的结构、良好的热塑性成形能力和优异的力学性能。近年来，含有多个等原子或近等原子(5%~35%)比主元的高熵合金(HEAs)因具有独特的结构和性能而受到广泛关注。得益于其高的构型熵(∆Sc>1.5R，R为气体常数)，HEAs即使在高温下也通常表现出稳定的单一无序固溶相结构。研究发现，当一些HEAs体系具有大的负混合焓(∆Hmix)、大的原子尺寸差(δ)以及高的∆Sc时，在快速冷却条件下可形成具有短程有序、长程无序的非晶结构，并将这类合金命名为高熵非晶合金(HE-MG)。与传统MG相比，HE-MG加热时表现出更高的玻璃稳定性，以及接近极限的强度、优异的耐腐蚀等性能，这使得其成为未来制造业中新一代结构材料的备选材料之一。

西北工业大学的王海丰、周青等基于纳米压痕及划痕技术研究了TiZrHfCuBe高熵非晶合金在不同划动速率和不同加载速率下的纳米划痕行为，探究了高混合熵为其带来的特殊结构与其纳米摩擦学性能间的内在联系。相关研究成果于2023年11月在《金属学报》网络首发。

研究人员选用非晶形成能力较好的TiZrHfCuBe HE-MG，使用WK-Ⅱ型非自耗真空电弧熔炼及负压吸铸系统制备出实验所需的HE-MG样品。板状HE-MG样品制备通过水冷铜模吸铸法在WK-Ⅱ型非自耗真空电弧熔炼及负压吸铸系统中进行。使用电火花线切割机将铸锭切割为10mm×10mm×4mm尺寸的试样。TiZrHfCuBe HE-MG样品的微观结构通过Talos F200X高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)进行分析（图1）。热稳定性用DTA 449F3差示扫描量热仪(DSC)进行分析。样品的微力学响应首先通过纳米压痕进行分析。纳米压痕实验在Hysitron TI950高精度纳米压痕测试系统的位移控制测试模式下进行。纳米划痕实验在配备有扫描探针显微成像技术模块(SPM)的NanoTest Vantage系统上进行，纳米划痕实验结束后，利用SPM对划痕后留下的表面磨损痕迹进行成像并和研究（图2-4）。结果表明：DSC实验结果显示，与传统钛基非晶合金的过冷液相区宽度相比，TiZrHfCuBe高熵非晶合金具有更宽的过冷液相区宽度，表明其具有更高的热稳定性。纳米压痕结果显示，TiZrHfCuBe高熵非晶合金不同区域的纳米压痕硬度均接近其理论值90%以上，表明其微观结构由缺陷较少的刚性基体均匀构成。在纳米划痕实验中，随着划动速率的增大，TiZrHfCuBe高熵非晶合金的刻划深度基本保持不变，但是残余划痕深度却逐渐减小（图5）。这归因于划动速率增加迟滞了TiZrHfCuBe高熵非晶合金微观结构中剪切转变区激活以及随后的剪切变形，从而导致划痕过程中的犁沟系数逐渐减小（图6），残余深度降低。在变加载速率的纳米划痕实验中，随着加载力的增加，结构中的用于剪切变形过程中剪切带形核的剪切转变区激活以及随后的剪切变形迟滞效应逐渐减小，导致塑性犁沟系数和划痕深度的逐渐增大。该项工作为开发具有优异摩擦磨损性能的HE-MG提供了新的设计思路。

该项工作得到了国家自然科学基金（51975474）中央高校基本科研业务费项目（3102019JC001）等的支持。

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