導讀：均質體心立方（BCC）固溶體和短程團簇（SRC）的形成使耐火多主元素合金能夠達到令人難以置信的高屈服強度，但它們的使用受到其固有脆性的嚴重限制。本研究設計并制備了含SRC的Ti-V-Zr中等熵合金，并形成了多相非均相晶粒結構（HGS）。通過調整微觀結構，可移動位錯提供了變形能力，因為剪切帶的形成被抑制了。Ti40Zr60-xVx 合金的強度和延展性通過增加V來實現。 Ti40Zr15V45合金在室溫下具有1067 MPa的高屈服抗拉強度和7%的延展性，抗壓強度為1793 MPa，優于其他結構均勻的BCC合金。按參數指標的相的熱力學穩定性傾向于在晶尺度上形成非均質微觀結構，通過改變相比來實現強度和延展性的雙重增強。<001>不動位錯在SRC結構中形成，并提供額外的加強。已經開發并驗證了形成過程模型。已經建立并驗證了形成過程的模型。

由于高溫下的混合熵較大，多主元素合金 （MPEA） 可以阻止金屬間化合物的產生，導致產生成分均勻的無序體中心立方 （BCC） 和面心立方 （FCC） 固溶體?；旌系臉嬓挽馗哂?.5R促進了具有大溶液強度的均質結構。在FCC結構中，主動滑移系統可以提供很大的變形能力，并且主要在最近幾十年吸引研究?；谀突鹪兀℉f、Zr、Ti、V 和 Cr 等）設計了通過形成 BCC 結構具有特別高屈服強度的耐火 MPEA。在NbTiVZr合金中形成了具有少量納米析出物的單相BCC，該合金具有高壓縮強度（>1000 MPa）。然而，低變形能力會阻止它們的使用。兩相合金可以通過形成兩個BCC，BCC和Laves或B2相來實現令人印象深刻的高強度，與室溫下的FCC相比更脆。

在BCC多主元素合金（MPEAs）中形成的短程團簇（SRC）可以顯著提高其強度。它們的形成得益于導致晶格張力的顯著原子尺寸差異。根據關于SRC的理論和實驗研究，可以提高BCC結構的穩定性，并且不可移動的位錯可以顯著增加MPEA的強度。盡管對 SRC 的研究非常引人入勝，但它們的創建和結構很少得到深入研究，對脆性失效的影響也缺乏研究。

脆性斷裂是由 SRC 引起的大量應力集中引起的，密集且連續的納米結構阻止了位錯的移動性。漫長的退火過程可以增加延展性。BCC TiZrNbHf 由于位錯的遷移率和倍增的改善而達到了 880 MPa 的屈服張力強度。由于它們的低能相邊界和可控的微觀結構產生原位復合材料，共晶結構增加了BCC MPEA的延展性。通過使用普通鑄造技術在典型鑄錠中產生超細凝固結構，其中一些可以達到高達 1200MPa 的抗拉強度。然而，大多數研究都集中在軟相與硬相相結合，例如 FCC+BCC。

對異質晶粒結構（HGS）的研究表明，HGS可以促進位錯的形成和多個滑移體系的運行，從而提高脆性材料的變形能力。Li通過精心設計的熱機械加工在L12相引入了HGS，并實現了1.73 GPa的超高拉伸屈服應力。這種結構是提高純BCC MPEA變形能力的理想解決方案。HGS的設計和準備通?；?D打印，熱處理和磁控濺射，仍然非常復雜。研究發現，通過將HGS與共晶結構相結合來提高BCC MPEA的延性很簡單。

因此，哈爾濱工業大學陳瑞潤教授團隊對此進行了研究。在這項研究中，采用相形成原理設計納米共晶結構和原位HGS的合金，以提高BCC MEAs的變形能力。還研究了它們的凝固過程。通過研究脆性BCC的失效過程，已經提供了強化力學。此外，還展示了SRC結構的發展及其對機械特性的影響。相關研究成果以題為“Dual enhancement in strength and ductility of Ti-V-Zr medium entropy alloy by fracture mode transformation via a heterogeneous structure”發表在International Journal of Plasticity上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641922002820

圖 1 相分析，（a） 鈦的 XRD 圖譜40鋯60-xVx具有相分離特性和（b）相應晶格常數的合金。

圖 2 Ti40Zr60-xVx(x = 30、35、40 和 45 at.%） 合金的微觀結構形貌，通過 SEM，（a， b） Ti40Zr30V30合金，（c，d）Ti40Zr25V35合金，（e，f） Ti40Zr20V40合金和（g，h）Ti40Zr15V45合金。

圖 3 由配備EDS的EPMA制成Ti40Zr15V45合金中元素分布的映射。

圖 4 鈦中SRC的微觀結構表征40V35鋯25通過透射電鏡的合金，（a）高爐-透射電鏡圖像，（b）HAADF圖像和（c-d）相應的元素分布。Ti40Zr15V45合金的形態，（e）高爐透射電鏡圖像，相應的成分，和（f）SRC。（g）是用黃色方塊標記的（e）中的相的界面，（h）是相應的SAED模式。

圖 5 Ti40Zr60-xVx合金拉伸試驗結果，(a)工程應力-應變曲線，(b)拉伸試驗中獲得的屈服強度(σy)、極限拉伸強度(σUTS)和延伸率(δ%)。

圖 6 I區和II區硬度(a)Ti40Zr15V45合金的納米壓痕測試結果，沿高亮線的載荷與壓頭穿透深度曲線示意圖;(b)Ti40Zr60-xVx合金的維氏硬度。

圖 7 不同區域力學性能比較。(a)圖中為Ti40Zr60-xVx合金的壓縮強度與維氏硬度、σy和σUTS對1/3Hv的關系，以及相應的壓縮性能。這些線是根據硬度和強度之間的三倍關系繪制的。Ti40Zr60-xVx合金斷口附近的顯微組織，(b)變形方向和剪切帶的IPF-Y圖像，(c)核平均取向差(KAM)和(d)圖像質量(IQ)。

圖 8 Ti40Zr15V45 合金斷口附近的顯微組織。利用BF-TEM觀察I區(a)[001]和(b)[011]帶軸位錯。(b)圖為位錯反應的HRTEM。(c)不可移動位錯地層。(d) II區相和可動位錯界面。

總之，本文章系統研究了非均質結構斷裂模式變換對Ti-V-Zr介質熵合金強度和延展性的雙重提升。在這項工作中，將熱力學參數和凝固過程結合到納米HGS結構的設計中。說明了SRC的形成及其對Ti40Zr60-xVx (x = 30， 35， 40， 45 at.%）力學性能的影響。討論了各種微觀結構和相應的納米硬度，并與Ti-Zr-V MPEA的力學性能進行了比較，研究了剪切帶變形引起的具有凹坑的解理斷裂面的形成。

HGS在Ti40Zr60-xVxMEAs通過混合熵和原子尺寸差異的競爭機制，分別有利于不同溫度下的單相和多相結構。從晶粒內部到外部，依次形成具有不同力學性能的各種結構。

隨著V含量的增加，共晶結構逐漸變粗，相干界面的形成提供了可移動位錯的形成和團簇位置，提高了加工硬化能力。SRC的形貌從密集連續轉變為精細分散。Ti40Zr15V45 的V含量最高的合金表現出更高的硬度和更好的延展性。

實現了Ti40Zr15V45 合金高強度-延展性平衡，其屈服強度為1067MPa，總伸長率為7.44%?？箟簭姸葹?793 MPa，超過了組織均勻的合金，30%以上的抗壓延展性表現出Ti40Zr15V45 優異的應變硬化和塑性變形性能。

解理面表面有凹坑的剪切帶斷裂是由位錯反應引起的，這在SRC中也可以觀察到。剪切帶斷裂的形成模型已經建立為不可移動位錯，EBSD和TEM圖像表明了變形方向。