中科院金属所《Acta Materialia》：重大突破！大幅增强LMD多孔金属拉伸延展性！

来源：材料学网

导读：脱合金已经成为合成多孔或纳米多孔材料的新途径，用于各种新颖的结构/功能应用。然而，脱合金(纳米)多孔金属是出了名的脆，并且在弯曲或拉伸时经常灾难性地断裂，这对它们的应用是有害的。本文报道了在拉伸状态下，不可逆断裂应变(εi通过液态金属脱合金化制备的宏观多孔Fe(MnCr)合金的通过引入弱畴界，而以前具有均匀(纳米)多孔结构的样品通常在εi低于1.0%。这些材料的“延性”变形与拉伸下的扩散破坏有关，这是由微裂纹的促进成核和裂纹偏转或沿较低区域的弱畴界分支引起的。这种策略也可以应用于在去合金化中自组织的或通过其他方法制造的其他(纳米)多孔材料。

多孔或纳米多孔(NP)金属可以通过(电)化学去合金化来形成，在此过程中，活性较高的元素从前体合金中选择性地溶解，而活性较低的元素自组织成网状结构。去合金化或选择性蚀刻的概念也被进一步扩展，使得双连续或多孔结构可以在不涉及(电)化学蚀刻的情况下自组织，例如通过液态金属去合金化(LMD)汽相去合金化还原诱导分解，甚至定向包晶熔化。这些发展导致了新的多孔或纳米多孔材料的大家族，从贵金属如金到活性金属包括Al和Mg。由于其开放的多孔结构、精细的结构尺寸、大的比表面积和毫米级的样品尺寸，脱合金(纳米)多孔材料已经被广泛地用于新型应用，例如驱动催化作用超级电容器和其他表面控制的功能。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室的金海军教授团队在本文中报告了脱合金多孔材料的拉伸延展性可以通过在较高层次上引入弱畴界来改善(与较低层次上的多孔结构相比)。我们还表明，域的大小是决定性的拉伸韧性(更准确地说，扩散破坏)。用这种方法，不可逆拉伸应变高达4.1%是在LMD制造的多孔铁(MnCr)中实现的。这种策略也可以用来增加纳米多孔金属和其他多孔材料的延展性和韧性相关研究成果以题“Weak boundary enabled tensile ductility in dealloyed porous Fe alloy”发表在Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645422008783

表1 脱合金NP或多孔金属的拉伸延展性。φ–相对密度，–平均韧带尺寸，W–垂直于装载方向的样品宽度，W/–成比例的样本量，εi–拉伸中的不可逆应变。

图1 (A)()35的LMD去合金化前沿的SEM图像如(b-c)中的SEM图像所示，生成均匀的多孔Fe(Cr)。(a)的样品是部分脱合金的样品，其中Mg(通过淬火)固化在孔隙中。(b-c)中的多孔样品是从完全去合金化的样品中获得的，其中捕获的Mg在LMD和淬火后被化学蚀刻。(c)中的图像取自(b)中的方形封闭区域。该多孔样品相对密度为～0.36。

图2 (a-b)()40的LMD去合金化前沿的SEM和(c) EBSD图像(d-e) SEM图像显示，生成具有弱边界的多孔Fe(MnCr)。(a-c)的样品是部分脱合金的样品，Mg固化在孔隙中。在(c)中，白线表示高角度晶界，红线表示孪晶界。(d-e)中的多孔样品是从完全去合金化的样品中获得的，其中捕获的Mg在LMD和淬火后被化学蚀刻。(b)和(e)中的图像分别取自(a)和(d)中的正方形封闭区域。该多孔样品相对密度为～0.36。

图3 两种LMD多孔Fe合金的三维重建和形貌表征。(a，d)3D重建，(b，e)概率密度(f)绘制成韧带尺寸的函数(L)，以及(c，f)按比例缩放的界面形状分布图分别为多孔(a-c) Fe(Cr)和(d-f) Fe(MnCr)。k:威布尔分布的形状参数。, 主曲率；Sv:体积比表面积。

图4 多孔Fe(MnCr)中的三个重构畴。连接到相邻区域的韧带被标示出来(红线)。

图5 均匀结构多孔Fe(Cr)和弱畴界多孔Fe(MnCr)的拉伸性能。(A)弯曲后多孔Fe(Cr)和Fe(MnCr)板的照片。两个样品具有相似的相对密度(φ≈0.36).(b)多孔铁(Cr)和(c)多孔铁(MnCr)的拉伸应力-应变曲线φ。(d)拉伸断裂应变的变化()与相对弹性模量(E/Es)用于多孔Fe(Cr)和Fe(MnCr)以及纳米多孔Au. E和Es分别是多孔材料和固相的杨氏模量。这里，铁合金Es≈200 GPa，以及Es≈79 GPa。误差条对应于基于三个样品测量的每个数据的标准偏差。

图6 拉伸试验后制备的多孔Fe(Cr)和Fe(MnCr)以及多孔Fe(MnCr)的XRD图谱。

图7 拉伸试验后多孔Fe(Cr)和Fe(MnCr)的典型断口形貌。(a)低倍和(b)高倍放大的多孔Fe(Cr)断口SEM图像φ ≈0.25.(c)低倍和(d)高倍放大的多孔铁(MnCr)断裂表面的SEM图像φ≈ 0.36

图8 拉伸断裂后多孔Fe(Cr)和Fe(MnCr)的应变图。(A)SEM图像和(b)多孔Fe(Cr)的相应应变图拉伸试验后φ ≈0.25，显示主要裂纹附近的局部变形。(c)SEM图像和(d)多孔Fe(MnCr)的相应应变图拉伸试验后φ≈0.36，在整个样品中显示出曲折的变形带。(e)高倍应变图和(f)变形带和区域边界草图距离拉伸后多孔Fe(MnCr)的主要裂纹>0.5 mm。

图9 不同畴尺寸多孔Fe(MnCr)的拉伸行为。(a-c)畴尺寸为(a)的Fe(MnCr)的横截面SEM图像 8.1μm，(b) 在除去孔道中固化的Mg(暗相)之前测量为17.1μm和(c)27.9μm，。(d)拉伸应变-应力曲线，(e)断裂应变的变化()与/和(f)断裂应变的变化()与相对弹性模量(E/Es).误差条对应于基于三个样品测量的每个数据的标准偏差。

图10 两种前兆在LMD锋面的成分分析。(a)LMD锋的示意图，(b)高角度环形暗场(HAADF) STEM图像，以及(c)用于合成多孔Fe(Cr)的Mg中部分去合金化的Ni-Fe(Cr)的相应EDS元素图。(d-e)跨越(b-c)中所示的(d)未蚀刻的和(e)蚀刻的晶界的成分线性扫描轮廓。(f)LMD锋的示意图，(g)HAADF-斯特姆图像和(h)用于合成多孔铁(MnCr)的镁中部分去合金化的Ni-Fe(MnCr)的相应EDS元素图。(i-j)跨越(g-h)中所示的(I)未蚀刻的和(j)蚀刻的晶界的成分线性扫描轮廓。在(a-c)和(f-h)中，去合金化从左向右进行。

图11 拉伸中二维网络断裂行为的示意图:(a)具有良好连接键的均匀网络和(b)具有弱边界的网络。

本文系统地研究了两种LMD多孔Fe合金的拉伸行为，即具有均匀结构的多孔Fe(Cr)和由刚性畴和弱畴界组成的多孔Fe(MnCr)合金。而多孔Fe(Cr)显示出有限的拉伸延展性，不可逆应变低于1.0%与先前的(纳米)多孔材料一样，多孔Fe(MnCr)获得了不可逆应变高达4.1%的增强的拉伸延展性。多孔Fe(MnCr)优异的拉伸延展性源于其扩散破坏，即断裂前在整个样品中形成大量微裂纹。这些微裂纹优先从弱畴界成核并沿着弱畴界传播，弱畴界是通过促进LMD中的晶粒间蚀刻而形成的。通过促进去合金化中的晶粒间蚀刻和在去合金化结构中引入高密度弱边界来增强去合金化多孔材料的拉伸延展性，而不是避免或修复先前报道的这种缺陷。