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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(yú)骨高熵合金的多級(jí)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(guó)際頂尖期刊《Science》上發(fā)表。

合金材料的斷裂失效，如臺(tái)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(guān)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(guān)裂紋，最終觸發(fā)材料的過(guò)早失效，并因此伴隨著令人失望的低拉伸塑性。

目前，我們?cè)谝环N新型的共晶高熵合金材料中顛覆了這一觀(guān)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(lèi)似魚(yú)骨的多級(jí)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(zhǎng)，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(huì)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(jí)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(zhǎng)和破壞。結(jié)果，在不犧牲強(qiáng)度的情況下，這種共晶魚(yú)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(yú)骨結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的多級(jí)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(guó)馬克斯-普朗克研究所、美國(guó)田納西大學(xué)和阿貢國(guó)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(guó)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(jí)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(rùn)光博士，美國(guó)阿貢國(guó)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(jí)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(guó)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(lái)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(wèn)題展開(kāi)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(zhǎng)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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科協(xié)青年托舉人才計(jì)劃的資助。

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