物理學家首次發現超低溫下高熵合金的多階段變形

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由香港城市大學(城大)科學家領導與的一個國際研究團隊,最近首次發現於超低溫下,高熵合金(high-entropy alloys)的變形機制原來分為多個階段,因而展現出非凡的力學性能。他們的發現或為研發應用於低溫的新結構材料帶來啟示。

領導這項研究的,是剛獲選為美國中子散射學會會士(Fellow of the Neutron Scattering Society of America)的香港城大物理學系系主任兼講座教授王循理教授。他與日本以及中國內地的科學家攜手,對高熵合金在超低溫下的變形行為進行原位研究。相關研究結果發表在最新一期的科學期刊《科學進展》 (Science Advances)上,題為〈Cooperative deformation in high-entropy alloys at ultralow temperatures〉。

中子散射技術:強大的測量工具

高熵合金是新型結構材料,具有多種卓越力學性能,例如擁有出色的強度兼延展性、高斷裂韌性和耐腐蝕性。它由多種主要元素組成,所以衍生出複雜的變形行為。

一般而言,材料在低溫下會因為原子被「凍住」了而失去流動的能力,所以變得易碎。但是,高熵合金反而在低溫下具有很高的延展性,可以被拉伸到較大的變形。 「這個現像在2014年首次被發現,但其背後的機制仍屬未知,很引人興趣。」 從那時起開始研究該變形機制的王教授說。王教授是這篇論文的通訊作者。

為了解開這個謎團,由王教授領導的研究團隊利用原位中子衍射(中子散射的一種)技術,以研究高熵合金的變形過程。身兼城大中子科學技術中心主任的王教授解釋說:「中子衍射測量是觀察材料實際變形過程的僅有幾種方法之一。我們可以觀察到每個步驟:首先出現的是哪種機制,和機制之間如何互動,這些是用傳統實驗方法如透射電子顯微鏡所不能觀察到的。」

王教授續說:「更重要的是,原位中子衍射技術可以在接近絕對零度的超低溫下進行測量,而且測量到的是樣本的整體情況,而並非只是它的表面或局部區域,並提供了變形過程的微觀機制,例如材料的不同晶粒之間的相互作用。」

Muhammad Naeem prepares the experiment at J-PARC
研究團隊成員之一的Muhammad Naeem 在日本質子加速器研究中心(J-PARC)內的工程材料譜儀TAKUMI上為實驗作準備。研究人員用該設備對多種高熵合金進行原位中子衍射測量,樣本均顯示出多階段的變形過程。

 

首次揭示各種變形機制出現的次序

Deformation pathway of HEA sample at 15 K
CrMnFeCoNi(其中一款高熵合金)的樣本在15 K時的變形通路圖解。圖中垂直的虛線標示出變形行為的不同階段:(1)位錯滑移開始; (2)堆垛層錯開始; (3)開始出現鋸齒流變行為; (4)大量的鋸齒流變與位錯滑移的飽和同步。 (圖片來源:DOI number: 10.1126 / sciadv.aax4002)

 

透過使用原位中子衍射技術,研究團隊首次揭示了高熵合金在超低溫時出現各種變形機制的次序。他們發現溫度降至15 K(K是絕對溫度單位,15 K等同攝氏零下258.15度)時,高熵合金的變形分為四個階段。

變形過程的第一個階段是「位錯滑移」(dislocation slip),即晶格面互相滑動,這是面心立方 (face-centered cubic) 晶體結構材料一種常見的變形機制。當位錯滑移持續,「堆垛層錯」 (stacking faults)逐漸變得活躍並開始主導變形的過程,此時晶格平面的堆疊次序會因為變形而改變。接下來會出現「孿晶」(twinning),晶格平面的位向出現錯誤,導致出現母晶體的鏡像。最後會過渡至「鋸齒流變行為」(serration), 高熵合金會呈現出大振幅的變形應力。

即將畢業的城大物理學系博士生兼高級研究助理Muhammad Naeem說:「觀察這些機制如何在材料變形時發揮作用並相互配合,是很有趣的。」他是該論文的第一作者。

研究人員在實驗中發現,隨著溫度降低,高熵合金顯示出更高且更穩定的應變硬化(應變硬化意指材料在變形後變得更強及更硬),並且呈現出很大的延展性。研究人員對原位實驗數據進行定量分析後得出結論:堆垛層錯、孿晶和鋸齒流變行為這三種觀察所得的變形機制,以及這些機制之間的相互作用,正是高商熵合金具備卓越力學性能的原因。

未知的新領域:超低溫下的高熵合金變形

研究團隊用上將近三年完成整個研究,然而這個領域還有很多值得進一步探索之處。 王教授說:「高熵合金在超低溫時呈現的複雜變形機制,是一個全新領域,曾涉足探索的人並不多,而我們這項研究的結果僅僅顯示了新領域的冰山一角。」

研究團隊下一步將會研究其他合金何時會出現堆垛層錯,以及它們在不同溫度時的變形機制。Naeem說:「理解變形機制有助研發新合金。透過運用不同機制的協同效應,我們可以加以調控這些機制,使材料在低溫環境應用時具備更佳的力學性能。」

研究團隊中來自城大的成員包括大學傑出教授劉錦川教授、材料科學及工程學系副教授王鋒博士,以及來自物理學系的王冰博士、蘭司博士、吳楨舵博士和何海燕

其他共同作者包括北京科技大學的呂昭平教授與吳淵教授、日本質子加速器研究中心(The Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC)的 Stefanus Harjo博士與川崎卓郎博士、以及哈爾濱工程大學的張中武教授。

CityU researchers discuss the experiment strategy with Japanese collaborators
城大研究團隊成員Muhammad Naeem(中)和何海燕(右一)與日本研究人員討論研究的策略。(香港城市大學王循理教授提供)

 

這項研究獲得裘槎基金會、香港研究資助局、國家自然科學基金會、深圳市科技創新委員會以及中國科學技術部的資助。

DOI number: 10.1126/sciadv.aax4002

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