增材制造CoCrFeMnNi化学复杂合金的应变率驱动剪切机制及其动态力学性能研究

为解决极端服役条件下材料动态力学性能不足的问题，北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室的研究团队通过选择性激光熔化(SLM)技术制备了单相面心立方(FCC)结构CoCrFeMnNi化学复杂合金(CCA)，并采用帽形试样研究了其在准静态和动态载荷下的强制剪切特性。研究发现SLM打印的CCA表现出优异的抗剪切性能，动态剪切屈服强度和峰值强度分别达到~320 MPa和~661 MPa，最大剪切应变~5.0。通过电子背散射衍射(EBSD)揭示了绝热剪切带(ASB)内旋转动态再结晶(RDRX)的微观机制，为抗冲击防护材料设计提供了重要理论依据。

　　

在航空航天和国防领域快速发展的今天，极端环境下的材料性能面临前所未有的挑战。高温、低温、冲击载荷和高应变率等复杂工况，对关键部件的可靠性提出了严苛要求。传统合金往往难以满足这些需求，而化学复杂合金(CCAs)因其独特的多主元设计理念，展现出高强韧性和宽温域稳定性等优异特性，成为材料科学领域的新星。特别是具有单相面心立方(FCC)结构的CoCrFeMnNi合金，因其良好的延展性和断裂韧性，被视为极端环境结构应用的理想候选材料。然而，这类合金在动态载荷下的剪切局部化行为和失效机制仍不明确，这严重制约了其在抗冲击防护领域的应用。

北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的最新研究中，采用选择性激光熔化(SLM)技术制备了CoCrFeMnNi化学复杂合金，通过独特的帽形试样设计，系统研究了从准静态(10^-1 s^-1)到动态(8×10⁴ s^-1)应变率范围内的剪切力学行为。研究团队主要运用了三种关键技术：选择性激光熔化(SLM)制备具有柱状晶组织的合金试样；分体式霍普金森压杆(SHPB)系统进行高应变率剪切测试；电子背散射衍射(EBSD)结合纳米级步长扫描解析绝热剪切带(ASB)的微观结构演化。

3.1 准静态与动态剪切力学响应
研究显示SLM打印的CCA表现出显著的应变率强化效应。在准静态条件下，合金的剪切屈服强度和峰值强度分别为263 MPa和643 MPa，最大剪切应变达7.0；而在动态加载时，相应参数提升至320 MPa和661 MPa，但剪切应变降至5.0。通过特殊设计的限位环实现了应变冻结，成功捕捉到不同变形阶段的微观组织特征。

3.2 SLM打印CCA的应变硬化行为
应变硬化率(SHR)分析揭示了变形机制的竞争过程。在动态剪切初期(γ<2.0)，SHR与准静态条件基本重合；当应变超过3.28时，绝热温升导致的热软化效应与变形孪生带来的硬化效应相互竞争，造成SHR曲线波动。这种独特的硬化行为与微观组织演变密切相关。

3.3 剪切区域的微观结构
EBSD分析发现，准静态形成的剪切带宽度达150-180 μm，晶粒严重拉长且存在大量小角度晶界(LAGBs)；而动态条件下形成的绝热剪切带(ASB)仅30 μm宽，内部通过旋转动态再结晶(RDRX)形成了平均尺寸392 nm的等轴纳米晶。KAM(核平均误取向)分析表明，ASB内的位错密度(1.58×10¹⁵ m^-2)显著低于准静态剪切带(2.04×10¹⁵ m^-2)，证实了RDRX对缺陷的消除作用。

3.4 剪切带的温度演化
基于热力学计算，动态剪切过程中的绝热温升达699 K，局部瞬时温度高达997 K，超过该合金的再结晶阈值(0.6T_m≈968 K)。这一高温环境为ASB内的RDRX提供了必要的热力学驱动力。

该研究首次系统阐明了SLM打印CoCrFeMnNi CCA的应变率依赖剪切行为及其微观机制。研究发现，动态加载下形成的超细纳米晶结构和独特的应变硬化行为，使材料同时具备高强度(661 MPa)和良好剪切韧性。这些发现不仅丰富了极端条件下材料失效的理论体系，更重要的是为设计新一代抗冲击防护材料提供了关键科学依据。特别是通过增材制造技术实现的精细显微组织调控，展现出传统加工方法无法比拟的优势，为航空航天、国防装备等领域的轻量化防护结构开发开辟了新途径。