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西北工大材料頂刊：晶粒尺寸對高熵合金應變硬化行為的雙重影響！

2022-06-22 15:35:18 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

面心立方 (fcc) 高熵合金 (HEA) 在很寬的溫度范圍內表現出優異的延展性。這種延展性的優勢引發了對 fcc HEA的變形機制的廣泛研究。fcc HEA 的變形機制仍然不清楚。近年來，一些其他因素，包括間隙溶質和沉淀物，也被發現在變形行為中發揮了一定的作用。然而，其他內在因素，即晶粒尺寸，沒有得到足夠的重視。

人們普遍認為，晶粒尺寸通過 Hall-Petch 關系影響金屬和合金的屈服強度。某些合金的流變應力也可以通過這種關系在特定的晶粒尺寸范圍內進行描述。在 HEA 中，維氏硬度和拉伸試驗也積極探索了晶粒尺寸對強度的影響。兩個結果都表明，HEA 屈服強度的晶粒尺寸依賴性遵循 Hall-Petch 關系。霍爾-佩奇關系的溫度依賴性也已在幾個 HEA 中得到證明[20]. 盡管這些先前的工作闡明了晶粒尺寸對 HEA 屈服強度的影響，但只是簡單地討論了晶粒尺寸與流動行為之間的聯系。

基于此，西北工業大學凝固加工國家重點實驗室Feng He教授團隊通過比較兩種材料的變形行為和變形微觀機制，發現晶粒尺寸從改變位錯滑移模式和纏繞活動兩個不同方面影響面心立方高熵合金材料的應變硬化行為。這些發現還應該為其他 fcc 合金的晶粒尺寸依賴性應變硬化行為提供新的見解。無論晶粒尺寸如何，NiCoCrFe 均表現出四階段應變硬化行為，而 Ni 2 CoCrFe 則表現出典型的三階段應變硬化行為。我們的ECCI結果表明，大量的變形孿晶導致NiCoCrFe發生IV期硬化，Ni 2 CoCrFe僅觀察到位錯活動。

相關研究成果以題“The dual effect of grain size on the strain hardening behaviors of Ni-Co-Cr-Fe high entropy alloys”發表在國際著名材料期刊Journal of Materials Science & Technology上。

隨著晶粒尺寸的增加，NiCoCrFe的II期和IV期應變硬化發生了顯著變化，而其他兩個階段保持不變。隨著晶粒尺寸的增加，階段Ⅱ的應變硬化率降低，而階段Ⅳ的應變硬化率增加。Ni 2 CoCrFe的第二階段應變硬化也觀察到類似的晶粒尺寸依賴性。

根據檢測到的微觀機制，我們揭示了兩種HEA在第二階段的應變硬化率的低值和恢復是由于位錯滑移從波浪形轉變為平面形。通過促進孿晶活動，提高了 NiCoCrFe 階段 IV 的應變硬化率。因此，晶粒尺寸改變位錯滑移模式以影響 II 期硬化，并調整纏繞活動以影響 fcc HEA 的 IV 期硬化。

檢測到大晶粒 NiCoCrFe 階段 II 的應變硬化速率異常增加。我們將這種高應變硬化率歸因于平面滑移和退火孿晶界的綜合影響。

圖 1。不同晶粒尺寸 NiCoCrFe 的顯微組織和拉伸性能。(a-c) 晶粒尺寸為 11、84 和 125 μm 的 NiCoCrFe HEA 的 BSE 圖像，(d) NiCoCrFe HEA 的拉伸應力-應變曲線，以及 (e) 曲線的應變硬化率與真實應變圖在(d)中

圖 2。細晶粒 NiCoCrFe 的變形亞結構。(a) ～10% 應變的 ECCI 圖像，(b) ～30% 應變的 ECCI 圖像，和 (c) ～50% 應變的 ECCI 圖像。

圖 3。小晶粒 NiCoCrFe 的變形亞結構。(a) ～10% 應變的 ECCI 圖像，(b) ～30% 應變的 ECCI 圖像，和 (c) ～50% 應變的 ECCI 圖像。

圖 4。大晶粒 NiCoCrFe 的變形亞結構。(a) ～10% 應變的 ECCI 圖像，(b) ～30% 應變的 ECCI 圖像，和 (c) ～50% 應變的 ECCI 圖像。

圖 5。EBSD 分析不同晶粒尺寸的 NiCoCrFe HEA 在 50% 應變下的變形機制。(a-c) 細粒樣品的 IQ 圖，(d-f) 小粒樣品的逆極圖 (IPF) 圖，和 (g-i) 大粒樣品的 KAM 圖

試樣在不考慮晶粒尺寸的情況下表現為四階段應變硬化行為，而圖6(b)中所有Ni2CoCrFe試樣均表現為三階段應變硬化行為。為了更清楚地區分兩種HEAs的差異，圖9將兩種晶粒尺寸相近的HEAs 的應變硬化行為放在一起。兩種材料的屈服強度相近，但抗拉強度和伸長率不同。應變硬化行為很好地說明了這種力學性能變化的原因。兩種HEAs在I、II階段的應變硬化速率基本相同，而niccrfe在應變大于~30%時，其應變硬化速率下降較慢。這有效地延緩了niccrfe的過早縮頸，獲得了較高的抗拉強度和伸長率。