導讀：本文報道了Cr7Mn25Co9Ni23Cu36（原子百分比）高熵合金熱處理后的相分解以及二次相的形成對其拉伸力學響應的影響。顯微組織分析表明，在800°C / 2h和600°C / 8h的熱處理導致形成sigma相，但是在600°C及以下的溫度下進行2h熱處理未觀察到sigma相。將實驗觀察到的熱穩定性和相與計算出的相圖進行比較，并通過求助于熱力學和動力學進行合理化。從頭算計算討論了相分解的機理，分解成兩個固溶相比單一固溶相在能量上更有利。

對于金屬結構材料，實現強度和延展性的良好結合是重要的目標 。達到此目標的常用方法包括優化合金成分和加工路線。對可以承受惡劣工作環境的更好的結構材料的需求，促使冶金學家探索性能優良的新合金。多主合金或高熵合金（HEA）的發現拓寬了合金設計領域，是材料領域的重要突破。

為了開發具有良好性能的HEA，已經使用了許多方法如鍛造，高壓合成，熱處理，等離子體激光制備和電弧熔化。熱處理是一種改善合金機械性能的簡單，有效且廉價的方法。近年來，研究學者針對熱處理對某些HEA的微觀結構和力學性能的影響進行了一些研究。結果表明，當溫度從0升高到1000°C時，沒有發生相分離，表明在寬溫度范圍內高熵合金具有良好的相穩定性。

在此，哈工大陳瑞潤教授團隊通過電弧熔化設計和制備了Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 高熵合金  。這種具有初級FCC相的HEA在鑄態條件下在室溫下具有很好的強度和延展性（屈服強度為401MPa，極限抗拉強度為700MPa，斷裂伸長率為36%）。作者研究了200 ~ 1000℃熱處理對Cr7Mn25Co9Ni23Cu36高溫合金組織和室溫力學性能的影響。將實驗結果與熱力學計算結果進行了比較。利用計算相圖（CALPHAD）法測定的吉布斯生成能，分析了sigma相和FCC相的穩定性。成功利用從頭計算方法討論了高溫下的相分解機理。相關研究成果以題“Experimental and theoretical investigations on the phase stability and mechanical properties of Cr7Mn25Co9Ni23Cu36 high-entropy alloy”發表在金屬頂刊Acta Materialia上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116763

圖1（af）顯示了處于鑄造狀態并在200、400、600、800和1000°C熱處理后的Cr7Mn25Co9Ni23Cu36 HEA的顯微組織。在鑄造狀態下以及在200、400和600°C熱處理后，觀察到兩個FCC固溶體相。相反，在800°C的熱處理導致形成新相，如圖1 d中的白點所示。通過TEM和EDS研究了該相的晶體結構和元素分布（圖2）。新相被鑒定為具有四方結構的富Cr的σ相。σ相僅在800°C熱處理的樣品中觀察到。當樣品在1000°C下熱處理時，σ相消失，如圖1（f）所示形成Cu偏析區。

圖1。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA顯微組織的SEM圖像。（a）處于鑄態，（bf）在200、400、600和800、1000°C的溫度下進行2h熱處理后。

圖2。在800°C熱處理2h后，Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA中的TEM圖像，電子衍射斑和元素分布。（a）TEM圖像，（b）電子衍射點，（c）HAADF圖像，以及（dh）sigma和FCC 2相的元素分布。

圖3。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA的平衡相摩爾分數與溫度的關系。

SEM和TEM圖像顯示，當Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA在800°C熱處理2h時，形成了富含Cr和Co的σ相，這與CALPHAD的預測非常吻合。在低于或等于600°C的溫度下進行熱處理的樣品中未觀察到σ相，但由CALPHAD預測。這種差異歸因于動力學原因，這是由于合金的微觀結構變化以及在600°C下延長的熱處理時間所證實的。

圖4。通過EDS獲得的鑄造狀態下Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA中的FCC_1和FCC_2相組成（原子％）。

圖5。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA顯微組織的SEM圖像。（af）在600°C下進行4h，6h，8h，10h，12h熱處理后。

圖6。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA在順磁（PM）和亞鐵磁（FM）狀態下的FCC，BCC和HCP結構的計算出的總能量。在所有情況下，總能量都是相對于FCC-FM的能量給出的。

圖7為各種溫度下熱處理之后的Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA的拉伸機械性能。與鑄態值相比，在200°C進行的熱處理可以有效地保持強度和斷裂伸長率。熱處理溫度從200℃提高到600℃，屈服強度和抗拉強度從401℃提高到581 MPa，從700℃提高到829 MPa，同時，伸長率從35％降低到22％。這些變化歸因于將熱處理溫度提高到600°C時納米沉淀的細化。

圖7。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA在鑄態和不同溫度下熱處理后的拉伸力學行為（a）。拉伸工程應力-應變曲線（b）。極限抗拉強度，屈服強度和斷裂伸長率。

圖8的TEM顯微照片a和b證實了在600°C / 2h熱處理狀態（？3.5nm）之后該合金中納米沉淀的尺寸小于鑄態（？4.5nm）。由于屈服和極限抗拉強度分別下降至303 MPa和530 MPa，延展性降低至斷裂應變的15％，800°C熱處理導致斷裂韌性下降。如圖1 d所示。強度的顯著降低是由于形成的σ析出物分布不均，尺寸沒有明顯變化（高達幾百納米）。總之，σ相的形成對Cr 7 Mn25Co9Ni23Cu36HEA的拉伸機械性能有害。當樣品在1000°C（剛好低于合金的熔點）進行熱處理時，屈服強度和極限抗拉強度均下降，這歸因于如圖1f所示的Cu偏析區的形成。

EMTO-CPA的計算結果表明，與在低溫和高溫下均具有標稱成分的合金相比，在能量上更優選分解系統（FCC_1和FCC_2）。

σ相的形成對Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA的拉伸機械性能有害。

圖8。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA中納米沉淀的形貌。（a）通過TEM觀察的鑄造狀態下的納米析出物的形態。（b）通過TEM在600℃/ 2h熱處理條件下納米沉淀的形貌。