導讀：能源、軍事和核工業等領域迫切需要具有增強的變形能力和強度的高密度合金。本文提出了一種新型的 NiCoFeCrMoW 高熵合金 (HEA)，它具有比銅更高的密度和聲速。系統地研究了這些HEA的相結構、準靜態拉伸、動態壓縮和相關的變形機制。結果表明，取決于 Mo 和 W 含量以及退火溫度，在 HEA 中形成了單 FCC 或 FCC + μ 雙相。這些 HEA 具有出色的準靜態拉伸和動態壓縮性能，例如 Ni 30 Co 30 Fe 21 Cr 10 W 9在準靜態試驗中，在 1573 K 退火的 HEA 的屈服強度和極限抗拉強度和伸長率分別為 ?364 MPa、?866 MPa 和 ?32%；屈服強度約為 710 MPa，在 4100 s -1的動態應變速率下沒有斷裂. 

如今，高密度合金在航空航天、電子信息、能源、冶金、軍工、核工業等領域已廣泛用作配重、運動器材、穿甲彈、聚能裝藥內襯等。隨著裝甲防護技術的發展，迫切需要具有強破甲能力的新型襯里材料。根據穿甲流體動力學理論[1]，理想的聚能裝藥內襯材料應具有高密度、高聲速、高熔點、適當的強度、良好的延展性和動態延展性。毫無疑問，Cu 和 Ni 因其優異的可塑性、高密度、高聲速和相對較低的成本而成為聚能裝藥內襯材料的良好選擇。最近，已經提出了合金中原子比相等或接近相等的多主成分合金（MPCA）或高熵合金（HEA）的概念。它們通常形成無序的固溶相，并表現出優異的性能，如高強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化性和熱穩定性等?；?FeCoNiCr 的 HEA 通常形成單面心立方 (FCC) 相，并表現出優異的塑性變形能力[12]. 因此，FCC 型 HEA 可能是很有前途的聚能裝藥內襯材料。到目前為止，已經對單 FCC 相的 CoCrFeNi 基 HEA 的動態響應進行了一些研究。

在這項工作中，北京科技大學惠希東教授團隊采用 HEA 的概念開發了一種新型 NiCoFeCrMoW 材料。難熔元素Mo和W用于提高機械性能、密度、熔點和其他物理性能。通過熱機械加工和微觀結構控制，優化了這些 HEA 的室溫拉伸和動態壓縮性能。探討了壓縮和變形行為的應變率敏感性。這些 HEA 具有出色的準靜態拉伸和動態壓縮性能，例如 Ni 30 Co 30 Fe 21 Cr 10 W 9在準靜態試驗中，在 1573 K 退火的 HEA 的屈服強度和極限抗拉強度和伸長率分別為 ?364 MPa、?866 MPa 和 ?32%；屈服強度約為 710 MPa，在 4100 s -1的動態應變速率下沒有斷裂. 已證明屈服強度優于先前報道的 FCC HEA 的應變率敏感性 (SRS)。相關研究成果以題“Enhanced dynamic deformability and strengthening effect via twinning and microbanding in high density NiCoFeCrMoW high-entropy alloys”發表在國際著名期刊Journal of Materials Science & Technology上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222003735

為了優化現有 HEA 的性能，本文進行了三種不同的退火工藝。Ni 30 Co 30 Fe 30- x - y Cr 10 Mo x W y HEA 60%軋制并隨后在不同溫度和持續時間下退火的XRD圖如圖1所示?？梢钥闯?，在 1273 K 退火 1 h 后，只有 Mo4W3 HEA 形成單一的 FCC 相。隨著W含量的增加，第二相的衍射峰出現并逐漸增加，確定為Fe 7 W 6型μ相。文獻中也報道了類似的相結構。隨著退火溫度的進一步升高，μ相的衍射峰逐漸減小，表明μ相的形成對退火溫度有很強的依賴性。圖 1 (b) 中FCC 相的 (111) 面的 XRD 圖案被部分放大并顯示在圖 1 (d) 中。(111) 面的峰向低角度側略微移動（以虛線突出顯示），表明由 W 原子在基體中溶解引起的晶格常數增加。

圖 1. Ni 30 Co 30 Fe 30- x - y Cr 10 Mo x W y HEA 60% 軋制并隨后在 1273 K 退火 1 小時 (a)、1473 K 退火 1 小時 (b) 和 1573 K 退火的XRD 圖譜10分鐘（三）；(d) (b) 中 FCC (111) 平面的放大 XRD 圖。

為了進一步了解退火溫度對 FCC 基體晶粒尺寸的影響，對 Mo4W3 和 Mo0W9 HEA 進行了 EBSD 分析。圖 3顯示了在不同溫度下退火的 Mo4W3 和 Mo0W9 HEA 的反極圖 (IPF) 以及平均晶粒尺寸（不包括孿晶界）。在晶粒內部可以觀察到大量的退火孿晶界，表明這些 HEA 的層錯能較低。隨著退火溫度從 1273 K 提高到 1573 K，基體晶粒尺寸分別從 Mo4W3 HEA 中的 28 μm 到 158 μm 和 Mo0W9 HEA 中的 5 μm 到 32 μm 逐漸增大。圖 3中的白色顆粒（b，d和f）被確定為μ相，主要在晶界生長，然后在晶粒內部。Mo0W9 HEA 在 1273 K 下退火 1 小時的 IPF 清楚地揭示了晶粒尺寸的不均勻性。沒有析出物的 HEA（例如，圖 2（a）、（e）和（i）中的Mo4W3 HEA）的晶粒生長速率明顯快于有析出物（例如，圖 2（d）中的 Mo0W9 HEA） ，（h）和（g）），這可能是由于μ相顆粒對晶界運動的阻礙。

圖 2. Ni 30 Co 30 Fe 30- x - y Cr 10 Mo x W y HEA的 SEM 圖像和相應的 μ 相體積分數60% 軋制，然后在 1273 K 退火 1 小時(ad)，1473 K 退火 1 小時(eh)和 1573 K 10 分鐘 (il)。

圖 3. EBSD 反極圖 (IPF) 和 Mo4W3 和 Mo0W9 HEA 在 1273 K 退火 1 小時 (a, b)、1473 K 退火 1 小時 (c, d) 和 1573 K 退火 10 分鐘 (e, f) 的相應平均晶粒尺寸。

據報道，細晶粒和沉淀物會抑制微帶的形成。因此，對在 1573 K 下退火 10 分鐘的 Mo4W3 和 Mo0W9 HEAs 進行動態壓縮測試，以探索 NiCoFeCrMoW HEAs 在室溫下的動態力學性能和應變率效應。在準靜態和動態實驗條件下測試的合金表現出良好的加工硬化響應，沒有宏觀斷裂。圖 5 (c)繪制了分別以 4500 和 4100 s -1的應變速率變形的 Mo4W3 和 Mo0W9 HEA 的加工硬化率 (WHR) 作為真塑性應變函數的變化。可以看出，兩種 HEA 的 WHR 曲線在 A 階段均呈現快速下降趨勢，隨后在 B 階段緩慢下降，最后在 C 階段保持并略有增加，隨著應變的增加，變形機制有所變化。在準靜態變形下，許多合金系統都觀察到了微帶，這與 SFE、晶粒尺寸和析出物有關。SFE 對微帶形成的影響是有爭議的[81]。無論如何，微帶對延展性有很大的好處，并且只能在能夠承受大應變的合金中觀察到。

圖 4. Ni 30 Co 30 Fe 30- x - y Cr 10 Mo x W y HEAs 在 1273 K 退火 1 h (a)、1473 K 退火 1 h (b) 和1573 K 10 分鐘 (c)

圖 5. 在 1573 K 退火 10 分鐘的 HEA 不同應變率下的真應力-真應變曲線：(a) Mo4W3 和 (b) Mo0W9。(a) 和 (b) 中的插圖分別顯示了 Mo4W3 和 Mo0W9 試樣在動態載荷下的變形；(c) 作為真塑性應變函數的加工硬化率。

目前的 HEA 表現出準靜態拉伸強度和伸長率的出色組合。在 1573 K 退火的 Mo4W3 和 Mo0W9 HEA 的 YS 分別為 ~247 MPa 和 ~364 MPa，UTS 為 ~644 MPa 和 ~866 MPa，EL 分別為 ~64.3% 和 ~32%。目前的 HEA 還具有非凡的動態機械性能。特別是在 1573 K 退火的 Mo0W9 HEA 的壓縮屈服強度約為 710 MPa，在 4100 s -1的高應變速率下沒有發生斷裂。已證明屈服強度優于先前報道的 FCC HEA 的應變率敏感性 (SRS)。動態應力-應變本構關系可以用改進的 Johnson-Cook 模型來描述。至于動態變形機制，設想當前高應變率壓縮過程中層錯能和 Peierls 勢壘的調節導致大量納米級變形孿晶和微帶的出現。協同微帶和孿晶有效地有助于增強動態變形能力和強化效果。此外，位錯與析出物、堆垛層錯 (SFs) 與孿晶以及 SFs 之間的相互作用也有助于提高加工硬化能力。

圖 6. 在這項工作中獲得的密度與斷裂伸長率與其他 FCC HEA的比較。

圖 7. 屈服強度隨應變率在兩個不同區域的變化。兩個可區分的區域對應不同的應變率靈敏度（SRS），即準靜態SRS（m s）和動態SRS（m d）。

(5)動態流動應力和應變的實驗結果與基于改進的Johnson-Cook模型的預測值吻合較好，表明目前HEA的動態塑性流動行為是溫度、應變和應變速率控制的變形過程。

圖 8. (a) Mo4W3 和 (b) Mo0W9 HEA 在不同應變率下變形引起的絕熱溫升隨真塑性應變的變化；(c, d) Mo4W3 和 (e, f) Mo0W9 HEA 在動態載荷下的實驗數據與修正的 Johnson-Cook 模型預測的流動應力之間的比較。

在高應變率加載條件下，形成了豐富的納米級變形孿晶和微帶，有助于實現強度和塑性的良好結合。位錯與析出物、SFs與SFs、SFs與孿晶之間的相互作用發生在動態載荷作用下，可有效阻礙位錯的動態恢復，從而提高加工硬化率。

圖 9. Mo4W3 HEA 在動態（~4500 s -1）變形后的 TEM 微觀結構表征和相應的 SAED 圖案。(a) 和 (b) 顯示位錯之間相互作用的明場顯微照片；(c) 和 (d) 變形孿晶的明場顯微照片和相應的 SAED 圖案。

圖 10. 動態（~4500 s -1）變形后 Mo4W3 HEA 中的 HRTEM 圖像。(a) 結對結構；(b) (a)中矩形區域的放大圖；(c) 銳角為 70.5° 的 V 形 SF 構型；（ d ）T形和V形的混合型SF配置，角度為109.5°。

圖 11. Mo0W9 HEA 在動態（~4100 s -1）變形后的 TEM 微觀結構表征和相應的 SAED 圖案。(a) 和 (b) BF 顯微照片，顯示致密的位錯壁和微帶；(ce) 明場顯微照片顯示變形孿晶和相應的 SAED 圖案；(f) μ 相的明場顯微照片和相應的 SAED 圖案。