編輯推薦：本文對鑄態TiZrHfTa0.5亞穩態難熔高熵合金進行了冷軋和退火處理。在冷軋+ 870℃退火試樣發生最多的bcc→hcp相變，其摩擦系數和磨損率相對于較低退火溫度的鑄態和冷軋試樣最低。原子尺度觀察分析了成分分離的bcc→hcp相變的兩種原子運動機制，它們在自發磨損亞表面中繼續容納摩擦引起的梯度塑性應變/應變率，從而進一步提高摩擦性能。

體心立方(bcc)的TiZrHf基合金具有超高穩定的高溫強度和彈性模量等優異的力學性能。從bcc到六邊形密堆積(hcp)/面心立方(fcc)結構的相變可以進一步改善材料的強塑性組合，從而獲得更好的摩擦學性能。得注意的是，冷軋過程后的退火溫度在調節微觀結構（例如重結晶度，晶粒結構和相構成）方面也起著至關重要的作用。此外,bcc→hcp相變也可能由反復摩擦過程中磨損亞表面的梯度塑性應變/應變率觸發，從而可能形成向穩態COFs和磨損率降低的自發梯度結構此外。

香港理工大學相關的研究員通過原子尺度表征，深入研究了基于TiZrHf的HEAs摩擦過程中bcc→hcp相變的應變、成分偏析和原子機制，相關論文以題“bcc → hcp phase transition significantly enhancing the wear resistance of metastable refractory high-entropy alloy”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114966

圖1 鑄造TiZrHfTa0.5 HEAs和冷軋+退火后的(a-d)BSE， EBSD圖，(e)XRD圖譜，(f-g)TEM，SAED和EDS結果

退火溫度會影響冷軋試樣中的晶粒結構和hcp相的比例，變形和細長結構仍保留在200°C和420°C退火試樣中。越來越多的納米結構hcp相在退主要從bcc晶界（GB）成核，這可能誘導強烈的晶間強化效應，從而與退火引起的軟化趨勢相反。鑄態和冷軋+退火試樣的bcc 相與hcp相的取向關系(ORs)是相同的，為[111]bcc//[1120]hcp和[001]bcc//[1120]hcp方向。

圖2 (a)穩態COFs和(b)不同載荷下的磨損率，(c)實驗和參考HEAs的COFs-硬度關系。(d-g)磨擦表面形貌的SEM和三維輪廓。

人們認為軟金屬太容易變形，而硬化金屬的塑性可能大大降低。在這種情況下，COFs不容易通過簡單的硬化來降低，而TiZrHfTa0.5 HEA冷軋加退火后的bcc→hcp相變可以促進硬度-延性協同作用，從而降低COFs隨硬度的變化。當提高退火溫度時（特別是在870°C時），這些相變明顯增強的試樣具有更光滑的磨損表面，碎屑更少，粗糙度降低，這意味著耐磨性得到改善。

圖3 截面(a) SEM，(b) TEM與相應的SAED模式，(c) 摩擦后EDS和HAADF-STEM (d)不同深度的晶粒尺寸和hcp含量，(e) (c)中矩形的HAADF-STEM，EDS，(f)SAED和HRTEM，(g) hcp原子Fourier-filtered后的圖像，(h) bcc和hcp界面的HRTEM和SAED。(i) ORs的衍射示意圖。

具有額外激活相變的自發雙相梯度納米結構繼續適應梯度塑性，抑制應變局部化，從而進一步提高耐磨性能，因此870℃退火HEA具有最佳的摩擦學性能。H SAED模式顯示了bcc和hcp兩種不同的方向關系分別為，即[111]bcc1//[1120]hcp和[001]bcc2//[1120]hcp。為了揭示完成這兩個bcc→hcp相變的潛在原子過程，應該解剖它們界面區域的原子排列和缺陷。

圖4 (a)第一次相變界面HRTEM，(b)晶格和(c)原子間距， (d) 相變的示意圖，(e-f) Burgers機制示意圖

示意圖總結了上述原子重排行為，其中，為了獲得最終的bcc晶格結構，需要通過原子沿著[111]bcc方向移動進行額外的壓縮。因此，第一次bcc→hcp相變遵循經典的Burgers機制。hcp和bcc結構之間的晶格對應關系說明原子在(110)bcc平面上分別沿著[112]bcc膨脹和[111]bcc方向壓縮。

圖5(a)第二次相變界面HRTEM，(b)原子間距。(c)部分位錯偶極子和原子重排的協同示意圖。

HRTEM圖像還展示了OR值為[001]bcc2//[1120]hcp和(110)bcc2//[1100]hcp的另一種的bcc→hcp過渡界面區域的。與第一種過渡情況不同，這種情況下(110)bcc面到[110]bcc的傾角在hcp相應該從90°大幅降低到61.4°，由部分位錯偶極子完成。bcc結構中的位錯反應可能發生在a/2[111]→ a8[110] +a4[112] +a8[110]，在密排面 (110)bcc上都激活。在每一個(110)bcc面上，部分位錯偶極子來完成傾斜角度的減小。另一方面，原子重排也使原子間距從原來的沿[110]bcc方向的2.41  逐漸增大到在hcp相沿[1100]hcp方向2.82  ，沿[110]bcc方向產生~ 17%的宏觀剪切應變，(110) bcc平面上的部分位錯偶極子滑移和原子重排協同下完成了第二次bcc→hcp相變。

通過原子重排或/和滑動協同產生的部分位錯偶極子bcc→hcp相變可以緩解和適應磨損亞表面摩擦引起的應力和應變場。除了遵循經典Burgers機制的第一類bcc→hcp相變外，原子運動過程在本文章中已經得到了很好的分析因此馬氏體相變唯象理論也可以用于研究第二類bcc→hcp相變?？偠灾恼略谠映叨扔^察表明，成分分離的bcc→hcp相變在自發梯度磨損的表面進一步激活，hcp相分數增加的雙相結構繼續容納反復摩擦中引起的塑性，最終提高了耐磨性。分析了bcc→hcp相變的兩種原子運動機制，主要是原子重組或/和部分位錯偶極子滑動的協同作用。