微结构异质性对多主元合金层裂过程中变形机制激活与分歧损伤路径的影响

《International Journal of Impact Engineering》：Influence of microstructural heterogeneity on the activation of deformation mechanisms and divergent damage pathways during spallation in a multi-principal element alloys

　　

微结构异质性对面心立方（FCC）多主元合金动态层裂行为的影响通过平板撞击实验、微观结构表征和分子动力学模拟进行了系统研究。研究人员考察了两种代表性微结构在90至800 m/s冲击速度下的响应：一种是由细晶区域和含位错的预变形区域组成的异质结构（HS），另一种是均匀粗晶（CG）结构。两种结构在相对较低的冲击速度下表现出相当的层裂强度。当冲击速度增至800 m/s时，CG样品的层裂强度降至2.6 GPa，而HS样品仍保持优异的抗层裂能力，达3.4 GPa。在CG样品中，孔洞集中在层裂面附近并易于聚结形成连续宏观裂纹。裂纹邻近区域内同时激活了多种变形机制，包括位错滑移、变形孪晶、堆垛层错形成和9R相变。然而，缺陷存储容量的快速饱和加剧了塑性流动局域化，从而在高冲击速度下加速了孔洞损伤演化。相比之下，HS结构的截面观察显示稀疏分布的孤立孔洞和更曲折的裂纹扩展路径。孔洞优先在细晶区域内形核和聚结，而在预变形区域内则形成了包含动态再结晶细晶的变形带。这种双重损伤行为共同增强了能量耗散并提高了抗层裂断裂能力。本工作表明，有意设计的微结构异质性可激活多种变形和损伤机制，为设计在极端加载条件下具有优异损伤容限的材料提供了一种有前景的策略。

微结构异质性调控多主元合金层裂行为的研究解读

一、研究背景与科学问题

多主元合金（MPEAs）因其优异的强度、热稳定性、耐腐蚀性和辐照耐受性而在极端工况下受到广泛关注。然而，单相面心立方（FCC）MPEAs通常因位错介导的塑性易发而具有高延展性但屈服强度中等，强度-延展性权衡问题长期存在。在众多解决策略中，微结构异质性工程尤为引人注目，它通过在软硬域间引入力学对比促进应变分配和几何必需位错（GND）在界面附近的累积，从而产生长程应力并增强异质变形诱导（HDI）强化/应变硬化能力。

尽管准静态下异质微结构的力学响应已被广泛研究，其在冲击加载（超过10⁴ s^-1）下的行为仍鲜有探索。与准静态变形不同，冲击加载以瞬态应力波传播和超高应变速率为特征，波与异质微结构特征的相互作用可诱发显著的局部应力集中和不均匀塑性流动。因此，长程应力演化、应变局域化和损伤成核可能与其准静态对应物存在本质差异。

对于承受冲击载荷的结构材料而言，抵抗灾难性失效的能力往往与强度保持同等重要。层裂作为最严重的冲击致损伤形式之一，直接衡量材料抵抗动态拉伸断裂的能力。已有研究表明，孔洞形核对局部化学波动和微结构特征高度敏感，但现有研究大多聚焦于晶界（GBs）、孪晶界（TBs）、预存位错或化学波动等孤立因素。有意设计的异质微结构能否同时调控孔洞形核、生长和聚结，进而增强抗冲击致失效能力，仍不清楚。更重要的是，冲击载荷下HDI相关的应变分配、缺陷演化和层裂损伤发展之间的相互作用尚未建立。

为解决这一问题，研究人员设计了由细晶和含高密度预存位错的变形带组成的异质微结构（HS），并与粗晶（CG）参比微结构在大范围冲击速度下进行比较。通过平板撞击实验和原子模拟相结合，本研究旨在阐明微结构异质性如何影响冲击载荷下的变形机制、孔洞演化过程和层裂抗力。

二、关键技术方法

1. 1.
   动态平板冲击实验：采用单级气炮进行对称撞击实验，飞片和靶材均使用相同成分的Al_0.5Cr_0.9FeNi_2.5V_0.2（原子比）MPEA。使用VISAR（速度干涉仪系统）测量自由表面速度，通过拉回信号计算层裂强度。冲击速度范围为90至800 m/s，共八次实验分为两组，分别对应HS和CG样品。
2. 2.
   微观结构表征：采用配备电子背散射衍射（EBSD）探测器的扫描电镜（SEM）表征初始和层裂后的微观结构，获取晶粒尺寸/取向/边界、核平均取向差（KAM）和孔洞分布等信息。使用透射电镜（TEM）和高分辨电镜进一步表征层裂断口附近的变形亚结构。采用聚焦离子束（FIB）从主裂纹边缘制备厚度约50 nm的薄片试样。
3. 3.
   分子动力学（MD）模拟：使用大规模原子/分子并行模拟器（LAMMPS）进行原子尺度损伤演化模拟，采用改进型嵌入原子法势函数描述原子间相互作用。构建了准三维柱状多晶构型，包括含孪晶界的均匀样品、壳芯区晶粒尺寸分别为12 nm和120 nm的HS样品，以及平均晶粒尺寸120 nm的CG样品。施加1 km/s的虚拟活塞冲击，模拟层裂过程。

三、研究结果

3.1 初始微结构与层裂行为

HS样品呈现双峰晶粒尺寸分布，再结晶区域面积分数约40%，随机分布在非再结晶/预变形区域内。预变形区域沿轧制方向（RD）伸长，纵横比约4，平均宽度260 μm，内部含有高密度位错缠结。CG样品为完全再结晶的等轴粗晶组织，平均晶粒尺寸141.8 μm，退火孪晶界比例达64.5%。

自由表面速度曲线显示，随着冲击速度增加，拉回信号愈发明显。在400 m/s冲击速度下，CG和HS样品的层裂强度相当；但在800 m/s时，CG样品的层裂强度降至约2.6 GPa，而HS样品保持约3.4 GPa的高值，表明HS样品在高冲击速度下具有更优的抗层裂性能。此外，CG样品在高冲击速度下拉回速率持续高于HS样品，表明其损伤演化更为迅速。

3.2 冲击致损伤的截面微结构

CG样品中孔洞集中在层裂面附近并聚结成连续裂纹，而HS样品中孔洞更小、更分散，裂纹更钝、更短。维氏显微硬度测量显示，扣除初始值后，CG样品经历了显著更大的应变硬化增量（约1.0 GPa），而HS样品仅约0.5 GPa。

CG样品中，主裂纹附近孔洞易生长至临界尺寸并聚结，伴随高KAM值；远离主裂纹的区域则分布着更密集、更小、更孤立的孔洞。孔洞周围低角度晶界（LABs）密度较高，表明位错介导的塑性调节在孔洞演化中发挥重要作用。退火孪晶界可抑制孔洞侧向生长，延缓聚结。统计显示亚微米孔洞占主导，晶内孔洞比例高于穿晶孔洞。

CG样品裂纹和孔洞邻近区域观察到显著的变形孪晶和晶粒细化，表明层裂过程中发生了剧烈的局部塑性变形。

3.3 HS样品的损伤特征

HS样品中裂纹主要在再结晶区域内扩展，路径较CG样品更为曲折。预变形区域内的孔洞较小且稀疏分布，表明预存压应力场可抑制孔洞生长。预变形区域内观察到剧烈变形，形成富含动态再结晶（DRX）超细等轴晶的变形带。点对原点取向差剖面显示，穿过变形带的区域最大取向差可达约50°，表明发生了广泛的晶粒碎化和LAB到高角度晶界（HAGBs）的转变。

裂纹扩展路径强烈依赖于再结晶区域的分布。孔洞优先在再结晶区域内形核、生长和聚结成裂纹，裂纹在再结晶/非再结晶界面处呈现钝化形态。预变形区域中的细小再结晶晶粒可通过阻碍裂纹尖端扩展和消耗更多塑性功来增强抗层裂能力。

3.4 变形机制的微观表征

TEM观察揭示CG样品裂纹邻近区域同时激活了多种变形机制：高密度位错、变形孪晶、堆垛层错（SFs）和9R相变。9R相是一种具有周期性堆垛层错的长周期结构，通常在FCC金属中高应变率变形时形成。这些多重机制的协同作用有助于在裂纹尖端附近容纳大量塑性应变。

HS样品中，再结晶区域同样观察到位错滑移和变形孪晶，但预变形区域由于已含有高密度位错，进一步变形主要通过位错增殖和动态再结晶实现，而非大量新生变形孪晶。

3.5 MD模拟验证

MD模拟验证了实验结果：含孪晶界的CG样品中，孪晶界有效抑制了孔洞生长和聚结。HS样品相比CG样品表现出更高的层裂强度和更分散的孔洞分布。预存位错的存在改变了孔洞周围的应力状态，促进了更均匀的塑性流动，抑制了局部损伤集中。模拟还揭示了HS样品中GND密度的空间不均匀分布，在软硬域界面处GND累积形成长程背应力，这有助于增强HDI强化效应。

四、讨论与结论

讨论总结

本研究表明，微结构异质性通过调控多种变形和损伤机制的协同作用，显著影响了MPEA的动态层裂行为。在CG样品中，多种变形机制（位错滑移、变形孪晶、SF形成和9R相变）被同时激活以容纳塑性变形，但缺陷存储容量在高应变率下快速饱和，导致塑性流动局域化加剧，加速了孔洞损伤演化。相反，HS样品中软（再结晶细晶）硬（预变形区域）域的共存导致了不同的损伤路径：孔洞优先在软域形核和聚结，而硬域通过动态再结晶和变形带形成消耗更多能量。这种双重损伤行为使HS样品即使在更高冲击速度下也能维持较高的层裂强度。

研究结论

本工作证明，有意设计的微结构异质性可激活多种变形和损伤机制，为设计在极端加载条件下具有优异损伤容限的材料提供了一种有前景的策略。具体而言，包含细晶区和预变形区的异质微结构能够同时调控孔洞形核、生长和聚结过程，通过能量耗散增强和裂纹扩展路径偏转来提高抗层裂断裂能力，尤其在高冲击速度下优势更为显著。