第二届上海大学十大学术进展候选项目简介

（申报编号：XSJZ-202212)

一、学术进展名称及负责人

共晶鱼骨高合金的多级裂纹缓冲效应及其辅助的超高塑韧性

钟云波（上海大学材料科学与工程学院教授）

二、项目背景

如何同时提高金属材料的强度和塑性，一直是结构材料领域的重大科学问题。而在实际应用中绝大多数工程部件的异常断裂失效，例如大桥钢结构的断裂、建筑物钢结构的坍塌、雪灾中电力支架的崩塌等，都是由于所用结构材料中微裂纹的产生以及随后的不可控扩展造成。传统理念上在合金结构材料中微观裂纹产生是不允许的，本研究团队前期发现通过控制轧制和热处理的方法，制备出一种遗传铸态共晶层片的超细晶双相异质层片结构，实现了共晶高熵合金此前无法同时获得的超优强塑性结合，首次提出的微层片遗传的层片异构强化机制，在此基础上进⼀步设计开发出一种顺序激活的多阶段应变硬化机制。

三、学术进展及创新点：

自二十世纪九十年代中期以来，研究团队一直致力于金属材料的超常冶金制备领域的工作。研究团队率先提出了超常冶金和超常制备的思路，即综合利用冶金学和材料学的相关知识，引入外场（电磁场）、变重力、快速凝固、极端制备等条件，以探索制备更高性能的结构和功能材料。通过对电磁参数、热流、凝固速度、温度梯度、过热度、合金成分等多因素的精细调控，将共晶高熵合金材料中随机的层片结构设计凝固成类似鱼骨的多级共晶层片结构。这种结构在拉伸变形时，其中超硬的B2 相中不但形成大量位错协调变形，还将触发高密度裂纹的产生，缓解材料变形时的应力集中。值得注意的是，微裂纹仅在 B2 相中大量萌生和沿拉伸方向拉长，微裂纹尖端在软性相L1₂相界前钝化为圆形并不再扩展；而在软性相L1₂相中形成大量的高密度位错，形成不断累积的加工硬化，表现出超优的塑性变形能力。这种多级裂纹缓冲机制阻止了裂纹在拉伸时的巨大应变范围内发生灾难性的破坏。因此，在这种结构中，高密度的裂纹不但没有恶化延伸率，反而作为一种有效的增塑策略，补偿了变形能力差的片层的有限拉伸塑性。目前，这种结构和机理已经在高强高导铜合金、工模具钢等传统材料中进行了很好地推广应用，未来将在更多的材料中进行探索尝试。

四、研究成果及应用情况、学术及社会影响：

1. 研究成果

Yunbo zhong, Hierarchical Crack Buffering Triples Ductility in Eutectic Herringbone High-entropy Alloys. Science,2021

2. 学术及社会影响

首次发现仿生鱼骨结构导致的多级微裂纹缓冲效应激发共晶高熵合金材料的超优塑性。该设计理念和强韧化机制，不仅对开发高延伸率多级结构材料，如有色合金材料、特殊钢材料、复合材料、新型生物材料等具有很好的指导作用，对于改善更广泛的共晶型高熵以及传统合金性能也具有显著的实际意义。这种结构和机理的应用有望极大地改善在跨海大桥、高层建筑、核电、⽕电、航空航天、大型钢构件等领域中的结构材料服役安全性。本项⽬的相关成果在中国科学报上进行了报导（2021 年 8月 20日，头版头条《无惧裂纹新型鱼⻣结构“如鱼得水”》）。截⾄2022 年 12月，代表性的研究论文下载量接近 8600 次，被引用 101 次，被评为“高被引文章”（截至 2022 年8月，被引频次已进⼊相关学术领域最优秀的前1%之列）和“热点文章”（2022 年 7~8 月期间，被引频次已进⼊相关学术领域最优秀的 0.1%之列）。