仿生鱼骨，一篇《Science》！

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

高强度和高韧性的合金材料在制造业、高精密仪器和航空航天等重要领域发挥着至关重要的作用。然而，提高合金材料的强度往往会导致其韧性（材料的抗断裂性）和延展性（材料的拉伸性而不断裂）急剧下降。

因此，如何在不牺牲强度的同时提高金属材料的延展性，一直是结构材料领域的重大科学问题。特别是当材料位错塑性低时，高的局部应变不能在材料中有效消散，很容易产生裂纹和扩展，导致材料失效；或者会产生高度集中在裂纹尖端附近的应变，使得材料在加工过程中难以均匀变形。

从“畏惧”裂纹到“控制”裂纹

2021年8月20日，上海大学钟云波教授、北京科技大学王沿东教授和德国马克斯普朗克铁研究所Dierk Raabe教授联合在《Science》发文报道了一种兼具高强度和高延展性的高性能共晶高熵合金(EHEA)，有望解决上述重大科学难题！研究团队通过定向凝固 (DS) 共晶高熵合金形成了分层组织的“仿生鱼骨”人字形微观结构，可实现仿生分层多尺度裂纹缓冲。在不牺牲强度的条件下，这种自缓冲人字形EHEA不仅在大拉伸变形下表现出优异的裂纹容限，而且具有超高的均匀伸长率(~50%)，是传统非缓冲 EHEAs 的三倍！

相关研究成果以“Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys”为题，发表在《Science》上。文章的第一单位为上海大学，第一作者为上海大学2018级博士生时培建。值得一提的是，在导师钟云波教授的指导下，时培建博士期间已经以第一作者身份在Science、Nat. Commun.和Materals Today等国际权威期刊发表了3篇高水平论文。

此外，这篇Science是上海大学第一篇作为第一完成单位的Science，祝贺。

仿生“鱼骨”

共晶高熵合金(EHEA)是近年来新开发的一种合金体系，其丰富的成分和结构变化带来了更广泛地制备原位复合新材料的可能性，为金属材料的微观结构设计和最终性能调控提供了巨大的潜力。

为了解决广泛裂纹生成和高均匀伸长率之间的冲突，研究人员从结构设计的角度出发，通过局部化学和纳米结构异质性的组合，采用定向凝固技术立体将Al、Fe、Co和Ni等主要元素合金，制备出一种抗开裂的韧性合金，以改善合金材料性能。

图1. 工程化分级纳米结构异质性策略制备具有抗开裂的韧性合金材料

研究人员分别通过常规铸造和定向凝固制造出两种铸态 Al19Fe20Co20Ni41 EHEAs。传统铸造的 EHEA 表现出在共晶转变过程中形成的典型层状微观结构（图 2A），包括L12（软有序面心立方）和B2（硬有序体心立方）双相片晶，在不同的近等轴晶粒中具有不同的生长方向（图2B和C）。

相比之下，定向凝固的 EHEA 显示出定向生长的多级层次的“仿生鱼骨”人字形微观结构（图 2D，F）。该结构由沿 DS 方向排列的柱状晶粒组成（图 2E），包含对齐（晶粒中心）和分支（晶粒边缘）共晶群，两者都包含软 L12 和硬 B2 薄片，在微米尺度上交替形成具有不同立方晶体结构的软硬片层，纳米压痕硬度分别为~4.2 GPa 和~5.6 GPa（图 2E）。

图 2. 分层排列的人字形微观结构。

定向凝固的EHEA材料的强度和延展性

工程应力-应变曲线（图 3A）表明，相对于传统铸造材料，定向凝固的EHEA材料的延展性得到显着改善。均匀伸长率增加了两倍。尽管定向凝固的 EHEA 具有高含量的硬质、低延展性 B2 相（~41 vol%），但它仍然表现出~50% 的大均匀伸长率，与广泛研究的、高延展性、完全均质的面心立方高熵合金 (HEAs)。

同时，定向凝固的 EHEA 的屈服强度比传统铸造的 EHEA 高约 150 MPa。由此产生的强度-延展性组合使得定向凝固 EHEA 中的均匀延展性优于任何其他铸态共晶和近共晶 HEA（图 3B)。

图 3. 环境温度下的拉伸响应。

高延展性的增强机制

进一步研究发现，定向凝固EHEA材料延展性的提高主要归因于其分层人字形微观结构，以及这种结构对裂纹缓冲的影响。

在 EHEAs 中，人字形分层共晶微观结构设计往往会在拉伸变形时产生高密度的裂纹。然而，分层裂纹缓冲可防止裂纹在 ~25% 的巨大应变范围内灾难性地增长和渗透。因此，如此高密度的裂纹不会对伸长率产生不利影响，而是可以作为一种有效的策略来补偿变形性差的薄片有限的拉伸延展性。这使得具有不同变形能力的相邻薄片之间具有超高的等应变形成条件，从而实现了约 50% 的惊人的高均匀伸长率，是没有此类裂纹容限的常规 EHEA 的三倍。

具体来说，就是变形最初会在变形能力有限的硬片层中形成微裂纹。而具有强应变硬化能力的邻接微观结构特征促进了局部能量的耗散，从而使裂纹尖端变钝。这些裂缝被阻止并限制在单个薄片内，从而阻止了它们的不稳定传播和灾难性渗透（图4）。这些微裂纹的持续成核和生长产生了外在塑性，弥补了脆性相的低延展性，从而实现了可持续的均匀变形。

图 4. L12 薄片承重响应的显微结构和微机械观察。

综上所述，该工作提供了一种分层微观结构设计方法，开发出抗开裂的高延展性EHEA材料。凝固的合金具有分层组织的人字形结构，可实现仿生分层裂纹缓冲。不仅裂纹容限保持在约 25% 的拉伸伸长率的大范围内，还使材料的延展性相对于传统铸造材料提高了 3 倍，且不会牺牲强度。这种分层人字形微观结构设计方法及其对裂纹缓冲的显着影响，不仅在设计具有高伸长率的新型分层结构合金，而且在设计具有优异断裂韧性的新型骨替代生物材料方面显示出有前景的指导。

参考文献：

P. Shi et al., Hierarchical crack buffering triples ductility in eutectic herringbone high-entropy alloys. Science 373, 912 (2021). DOI: 10.1126/science.abf6986

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)，作者：高分子科学前沿