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2021年8月20日，上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鐘云波教授研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于“共晶魚骨高熵合金的多級裂紋緩沖效應(yīng)及其輔助的超高塑韌性”最新研究成果，以Hierarchical Crack Buffering Triples Ductility in Eutectic Herringbone High-entropy Alloys為題，在國際頂尖期刊《Science》上發(fā)表。

合金材料的斷裂失效，如臺風(fēng)中大橋鋼結(jié)構(gòu)的斷裂、地震中建筑物鋼結(jié)構(gòu)的倒塌、雪災(zāi)中電力支架的崩塌等，絕大部分均起源于合金材料中微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，因此在合金結(jié)構(gòu)材料中寬容微觀裂紋產(chǎn)生是違反傳統(tǒng)安全理念的，因?yàn)椴牧现谐霈F(xiàn)的微裂紋，在應(yīng)力作用下將快速擴(kuò)展成宏觀裂紋，最終觸發(fā)材料的過早失效，并因此伴隨著令人失望的低拉伸塑性。

目前，我們在一種新型的共晶高熵合金材料中顛覆了這一觀念：我們采用獨(dú)特的凝固組織控制手段，將共晶高熵合金中的共晶層片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成類似魚骨的多級共晶層片結(jié)構(gòu)，在拉伸變形時(shí)，超硬相B2相中不但形成位錯(cuò)和晶界滑移，還將萌生高密度微裂紋，緩解材料變形時(shí)的應(yīng)力集中；且該微裂紋僅在B2相中大量萌生和沿拉伸方向拉長，微裂紋遇到軟性相L1₂相界時(shí)不再擴(kuò)展，裂紋前端鈍化為圓形；而在軟性相L1₂相中形成大量的高密度位錯(cuò)和晶界滑移，形成不斷累積的加工硬化，表現(xiàn)出超優(yōu)的塑性變形能力；B2和L1₂兩相的這種協(xié)同變形作用下，B2相中大量萌生的微裂紋不僅不會惡化共晶高熵合金性能反而可以做為一種有效的應(yīng)變補(bǔ)償去改善材料塑性。

這一突破源于仿生激發(fā)的多級裂紋緩沖效應(yīng)，其允許多重微裂紋的廣泛成核，但在隨后的巨大應(yīng)變范圍內(nèi)顯著抑制了它們的災(zāi)難性生長和破壞。結(jié)果，在不犧牲強(qiáng)度的情況下，這種共晶魚骨材料獲得了超高的斷裂韌性，特別是其延伸率達(dá)到了前所未有的50%，約是傳統(tǒng)鑄態(tài)共晶材料的3倍。

本文提出的這種仿生魚骨結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的多級微裂紋緩沖效應(yīng)激發(fā)共晶高熵合金材料的超優(yōu)塑性，屬首次發(fā)現(xiàn)。如果應(yīng)用于跨海大橋、高層建筑、核電、火電、航母、核潛艇、航空航天、大型鋼構(gòu)件等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料，將極大提高其服役安全性。

該成果由上海大學(xué)、北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、德國馬克斯-普朗克研究所、美國田納西大學(xué)和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室合作完成，其中上海大學(xué)為第一署名單位，上海大學(xué)鐘云波教授、德國馬克斯-普朗克研究所D. Rabbe教授和北京科技大學(xué)的王沿東教授為共同通訊作者，鐘云波教授指導(dǎo)的上海大學(xué)2018級博士生時(shí)培建同學(xué)為第一作者，上海大學(xué)材料學(xué)院任維麗教授、鄭天祥副研究員、沈喆博士、李毅博士、溫躍波碩士，北京科技大學(xué)張勇教授、李潤光博士，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Yang Ren教授，田納西大學(xué)Peter K. Liaw教授，上海大學(xué)微結(jié)構(gòu)中心胡鵬飛高級實(shí)驗(yàn)師、彭建超實(shí)驗(yàn)師、閔娜實(shí)驗(yàn)師、梁雪實(shí)驗(yàn)師為合作署名作者。

這也是繼2019年在Nature Communications（高被引論文）、2020年在Materials Today（IF=31.041）雜志之后，上海大學(xué)材料學(xué)院省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首次在Science雜志發(fā)表論文，也是第一作者、第一單位、通訊作者均來自于上海大學(xué)的首篇Science論文。這同時(shí)也是在上海大學(xué)老一輩科學(xué)家徐匡迪院士提出的“聚焦行業(yè)今后10-20年中面臨關(guān)鍵科學(xué)問題展開深入基礎(chǔ)研究”的戰(zhàn)略思想指導(dǎo)下，上海大學(xué)冶金學(xué)者取得的又一進(jìn)展。本論文也得到教育部長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃、十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科協(xié)青年托舉人才計(jì)劃的資助。

全文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/373/6557/912