中科院金屬所《Acta Materialia》：重大突破！大幅增強LMD多孔金屬拉伸延展性！

來源：材料學網(wǎng)

導讀：脫合金已經(jīng)成為合成多孔或納米多孔材料的新途徑，用于各種新穎的結構/功能應用。然而，脫合金(納米)多孔金屬是出了名的脆，并且在彎曲或拉伸時經(jīng)常災難性地斷裂，這對它們的應用是有害的。本文報道了在拉伸狀態(tài)下，不可逆斷裂應變(εi通過液態(tài)金屬脫合金化制備的宏觀多孔Fe(MnCr)合金的通過引入弱疇界，而以前具有均勻(納米)多孔結構的樣品通常在εi低于1.0%。這些材料的“延性”變形與拉伸下的擴散破壞有關，這是由微裂紋的促進成核和裂紋偏轉或沿較低區(qū)域的弱疇界分支引起的。這種策略也可以應用于在去合金化中自組織的或通過其他方法制造的其他(納米)多孔材料。

多孔或納米多孔(NP)金屬可以通過(電)化學去合金化來形成，在此過程中，活性較高的元素從前體合金中選擇性地溶解，而活性較低的元素自組織成網(wǎng)狀結構。去合金化或選擇性蝕刻的概念也被進一步擴展，使得雙連續(xù)或多孔結構可以在不涉及(電)化學蝕刻的情況下自組織，例如通過液態(tài)金屬去合金化(LMD)汽相去合金化還原誘導分解，甚至定向包晶熔化。這些發(fā)展導致了新的多孔或納米多孔材料的大家族，從貴金屬如金到活性金屬包括Al和Mg。由于其開放的多孔結構、精細的結構尺寸、大的比表面積和毫米級的樣品尺寸，脫合金(納米)多孔材料已經(jīng)被廣泛地用于新型應用，例如驅動催化作用超級電容器和其他表面控制的功能。

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家實驗室的金海軍教授團隊在本文中報告了脫合金多孔材料的拉伸延展性可以通過在較高層次上引入弱疇界來改善(與較低層次上的多孔結構相比)。我們還表明，域的大小是決定性的拉伸韌性(更準確地說，擴散破壞)。用這種方法，不可逆拉伸應變高達4.1%是在LMD制造的多孔鐵(MnCr)中實現(xiàn)的。這種策略也可以用來增加納米多孔金屬和其他多孔材料的延展性和韌性相關研究成果以題“Weak boundary enabled tensile ductility in dealloyed porous Fe alloy”發(fā)表在Acta Materialia上。

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表1 脫合金NP或多孔金屬的拉伸延展性。φ–相對密度，–平均韌帶尺寸，W–垂直于裝載方向的樣品寬度，W/–成比例的樣本量，εi–拉伸中的不可逆應變。

圖1 (A)()35的LMD去合金化前沿的SEM圖像如(b-c)中的SEM圖像所示，生成均勻的多孔Fe(Cr)。(a)的樣品是部分脫合金的樣品，其中Mg(通過淬火)固化在孔隙中。(b-c)中的多孔樣品是從完全去合金化的樣品中獲得的，其中捕獲的Mg在LMD和淬火后被化學蝕刻。(c)中的圖像取自(b)中的方形封閉區(qū)域。該多孔樣品相對密度為～0.36。

圖2 (a-b)()40的LMD去合金化前沿的SEM和(c) EBSD圖像(d-e) SEM圖像顯示，生成具有弱邊界的多孔Fe(MnCr)。(a-c)的樣品是部分脫合金的樣品，Mg固化在孔隙中。在(c)中，白線表示高角度晶界，紅線表示孿晶界。(d-e)中的多孔樣品是從完全去合金化的樣品中獲得的，其中捕獲的Mg在LMD和淬火后被化學蝕刻。(b)和(e)中的圖像分別取自(a)和(d)中的正方形封閉區(qū)域。該多孔樣品相對密度為～0.36。

圖3 兩種LMD多孔Fe合金的三維重建和形貌表征。(a，d)3D重建，(b，e)概率密度(f)繪制成韌帶尺寸的函數(shù)(L)，以及(c，f)按比例縮放的界面形狀分布圖分別為多孔(a-c) Fe(Cr)和(d-f) Fe(MnCr)。k:威布爾分布的形狀參數(shù)。, 主曲率；Sv:體積比表面積。

圖4 多孔Fe(MnCr)中的三個重構疇。連接到相鄰區(qū)域的韌帶被標示出來(紅線)。

圖5 均勻結構多孔Fe(Cr)和弱疇界多孔Fe(MnCr)的拉伸性能。(A)彎曲后多孔Fe(Cr)和Fe(MnCr)板的照片。兩個樣品具有相似的相對密度(φ≈0.36).(b)多孔鐵(Cr)和(c)多孔鐵(MnCr)的拉伸應力-應變曲線φ。(d)拉伸斷裂應變的變化()與相對彈性模量(E/Es)用于多孔Fe(Cr)和Fe(MnCr)以及納米多孔Au. E和Es分別是多孔材料和固相的楊氏模量。這里，鐵合金Es≈200 GPa，以及Es≈79 GPa。誤差條對應于基于三個樣品測量的每個數(shù)據(jù)的標準偏差。

圖6 拉伸試驗后制備的多孔Fe(Cr)和Fe(MnCr)以及多孔Fe(MnCr)的XRD圖譜。

圖7 拉伸試驗后多孔Fe(Cr)和Fe(MnCr)的典型斷口形貌。(a)低倍和(b)高倍放大的多孔Fe(Cr)斷口SEM圖像φ ≈0.25.(c)低倍和(d)高倍放大的多孔鐵(MnCr)斷裂表面的SEM圖像φ≈ 0.36

圖8 拉伸斷裂后多孔Fe(Cr)和Fe(MnCr)的應變圖。(A)SEM圖像和(b)多孔Fe(Cr)的相應應變圖拉伸試驗后φ ≈0.25，顯示主要裂紋附近的局部變形。(c)SEM圖像和(d)多孔Fe(MnCr)的相應應變圖拉伸試驗后φ≈0.36，在整個樣品中顯示出曲折的變形帶。(e)高倍應變圖和(f)變形帶和區(qū)域邊界草圖距離拉伸后多孔Fe(MnCr)的主要裂紋>0.5 mm。

圖9 不同疇尺寸多孔Fe(MnCr)的拉伸行為。(a-c)疇尺寸為(a)的Fe(MnCr)的橫截面SEM圖像 8.1μm，(b) 在除去孔道中固化的Mg(暗相)之前測量為17.1μm和(c)27.9μm，。(d)拉伸應變-應力曲線，(e)斷裂應變的變化()與/和(f)斷裂應變的變化()與相對彈性模量(E/Es).誤差條對應于基于三個樣品測量的每個數(shù)據(jù)的標準偏差。

圖10 兩種前兆在LMD鋒面的成分分析。(a)LMD鋒的示意圖，(b)高角度環(huán)形暗場(HAADF) STEM圖像，以及(c)用于合成多孔Fe(Cr)的Mg中部分去合金化的Ni-Fe(Cr)的相應EDS元素圖。(d-e)跨越(b-c)中所示的(d)未蝕刻的和(e)蝕刻的晶界的成分線性掃描輪廓。(f)LMD鋒的示意圖，(g)HAADF-斯特姆圖像和(h)用于合成多孔鐵(MnCr)的鎂中部分去合金化的Ni-Fe(MnCr)的相應EDS元素圖。(i-j)跨越(g-h)中所示的(I)未蝕刻的和(j)蝕刻的晶界的成分線性掃描輪廓。在(a-c)和(f-h)中，去合金化從左向右進行。

圖11 拉伸中二維網(wǎng)絡斷裂行為的示意圖:(a)具有良好連接鍵的均勻網(wǎng)絡和(b)具有弱邊界的網(wǎng)絡。

本文系統(tǒng)地研究了兩種LMD多孔Fe合金的拉伸行為，即具有均勻結構的多孔Fe(Cr)和由剛性疇和弱疇界組成的多孔Fe(MnCr)合金。而多孔Fe(Cr)顯示出有限的拉伸延展性，不可逆應變低于1.0%與先前的(納米)多孔材料一樣，多孔Fe(MnCr)獲得了不可逆應變高達4.1%的增強的拉伸延展性。多孔Fe(MnCr)優(yōu)異的拉伸延展性源于其擴散破壞，即斷裂前在整個樣品中形成大量微裂紋。這些微裂紋優(yōu)先從弱疇界成核并沿著弱疇界傳播，弱疇界是通過促進LMD中的晶粒間蝕刻而形成的。通過促進去合金化中的晶粒間蝕刻和在去合金化結構中引入高密度弱邊界來增強去合金化多孔材料的拉伸延展性，而不是避免或修復先前報道的這種缺陷。