7月20日，華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院姚小虎教授研究組在固體力學(xué)頂級(jí)期刊International Journal of Plasticity在線發(fā)表論文“Phase transition in medium entropy alloy CoCrNi under quasi-isentropic compression”。該研究工作使用混合蒙特卡洛/分子動(dòng)力學(xué)方法以及大規(guī)模的分子動(dòng)力學(xué)模擬，針對多主元合金塑性變形與相變行為的各向異性和應(yīng)變率相關(guān)性展開研究，并探究了化學(xué)短程有序結(jié)構(gòu)與相變路徑的聯(lián)系。該研究有助于通過調(diào)控加載條件和多主元合金的局部化學(xué)環(huán)境，激活材料的多重相變路徑，從而改善其在極端條件下的力學(xué)性能。
多主元合金較低的層錯(cuò)能往往能夠在變形中誘發(fā)馬氏體相變，子相和母相的協(xié)同變形及相界面帶來的強(qiáng)化效果在一定程度上改善了材料的強(qiáng)韌制約關(guān)系。運(yùn)用該策略有望提升多主元合金在復(fù)雜服役環(huán)境下的力學(xué)性能。然而，高應(yīng)變率加載下溫度和壓力的耦合導(dǎo)致目前的研究尚未厘清影響多主元合金相變行為的關(guān)鍵因素。
圖1. (a)-（c）沿 [100]晶向加載，材料變形初期的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)短程序分布；
（d）-（e）不同應(yīng)變率下，材料變形初期BCC團(tuán)簇中的不同原子對占比。
基于上述問題，姚小虎教授團(tuán)隊(duì)提出將溫升與高壓解耦的研究思路，采用準(zhǔn)等熵壓縮加載的方式對多主元合金的塑性變形與相變行為展開研究。通過原子模擬和晶體結(jié)構(gòu)分析手段，對多主元合金的多重相變路徑與加載晶向、應(yīng)變率、壓力以及內(nèi)部化學(xué)短程序結(jié)構(gòu)等因素之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行探討。
圖2.（a）-（c）不同加載晶向（[100],[11 ?0]和[111]）的相變行為。
研究揭示了化學(xué)短程序在變形初期誘導(dǎo)產(chǎn)生的異常體心立方團(tuán)簇結(jié)構(gòu)使得多主元合金沿[100]方向加載的初始塑性行為與應(yīng)變率無關(guān)。而高應(yīng)變率和大變形引起的位錯(cuò)累積可誘導(dǎo)材料發(fā)生固態(tài)非晶化相變。CoCrNi多主元合金在基態(tài)下傾向于形成HCP結(jié)構(gòu)，而在高壓下BCC結(jié)構(gòu)則具有更好的相對穩(wěn)定性。此外，化學(xué)短程序的存在提高了塑性變形能壘，因此含化學(xué)短程序的多主元合金具有更高的FCC-HCP相變臨界壓力。同時(shí)，化學(xué)短程序的存在促進(jìn)了局部位錯(cuò)累積和帶狀HCP相之間的相互作用，使得化學(xué)短程有序度更高的多主元合金具有較低的BCC相成核臨界壓力。以上研究揭示了多主元合金塑性變形和相變路徑的可調(diào)控性，有助于利用材料自身的特性進(jìn)一步改善其在極端條件下的力學(xué)性能。
圖3.（a）不同溫度下FCC相與HCP相的勢能差；
（b）不同相在能量最小化過程中的勢能演化；
（c）-（d）高壓下不同結(jié)構(gòu)與FCC相的勢能差隨溫度的變化關(guān)系。
近年來，姚小虎教授課題組圍繞新型先進(jìn)金屬材料在極端服役環(huán)境下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和變形破壞機(jī)理開展研究，相關(guān)研究成果已持續(xù)在固體力學(xué)和材料頂級(jí)期刊發(fā)表，在該研究領(lǐng)域產(chǎn)生了積極影響。
本研究為華南理工大學(xué)姚小虎教授課題組與美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校Irene J. Beyerlein教授課題組及斯坦福大學(xué)簡武榮博士開展合作的研究成果。華南理工大學(xué)博士生謝卓成為第一作者，合作作者還包括加州大學(xué)圣芭芭拉分校Shuozhi Xu博士以及華南理工大學(xué)張曉晴、張閏教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金杰出青年基金和面上項(xiàng)目基金的支持。（圖文/土木與交通學(xué)院 編輯/盧慶雷）
附：團(tuán)隊(duì)介紹
華南理工大學(xué)姚小虎教授研究團(tuán)隊(duì)秉承“立足國家戰(zhàn)略需求，聚焦前沿，開放包容“的研究思想，與國內(nèi)外多家單位機(jī)構(gòu)交流合作。國際上，與美國阿拉莫斯國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)圣芭芭拉分校、普渡大學(xué)、南加州大學(xué)、德州農(nóng)工大學(xué)聯(lián)合開展多項(xiàng)研究工作，相關(guān)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》等固體力學(xué)和材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊上發(fā)表多篇論文。研究領(lǐng)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、聚合物軟材料、碳纖維復(fù)合材料等在強(qiáng)動(dòng)載下的變形、損傷和破壞機(jī)理。
