單相高熵合金（HEA）近年來因其具有吸引力的特性而受到關注，例如優異的強度-延展性組合，高耐腐蝕性和耐輻照性強。然而，據觀察，脆性在康托爾型FeMnCoCrNi中沿晶界形成西格瑪相中溫退火后的高熵合金。西格瑪相顆粒通常會導致室溫下延展性喪失以及抗氧化性降低和合金基體的有效強度。例如，降水σ相導致面心立方（FCC）基合金的整體機械性能下降，其中拉伸損失在基于FeMnCoCrNi的高熵合金中觀察到延展性（~75→0.5%）和室溫下的不銹鋼（~150→20%）。這種韌性的大幅降低是設計中的主要問題。

最近，金屬間相被認為是一個強大的開發強材料的方法，因為不連貫的沉淀物可有效阻礙脫位運動。例如，在基于康托爾的高熵合金中添加Mo可促進σ和μ相顆粒的形成，從而增強材料，但延展性明顯下降。在本研究中，我們開發了一種新方式來獲得增強非等原子Fe34Mn20Co20Cr20Ni6的強度和延展性，產生了含有脆性西格瑪相的HEA樣品。鎳含量合金被還原以實現轉變誘導塑性（TRIP）效果用于保持出色的延展性值。此外，我們引入異構架構的晶粒結構以建立納米孿晶和晶界的不均勻分布進一步優化機械性能的設計工具。典型的例子是具有雙峰晶粒結構的材料，其中包含微米和亞微米晶粒的區域共存和單一材料中晶粒尺寸跨越從幾十納米到幾十微米的四個數量級的梯度結構。長度尺度橋接微觀結構表征用于探索TRIP和非均質結構設計對裂紋成核行為的影響。

南方科技大學大學逯文君團隊相關研究以“Customized development of promising Cu-Cr-Ni-Co-Si alloys enabled by integrated machine learning and characterization”為題發表在Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423000496

圖 1

圖1所示。均質加冷軋后Fe₃₆Mn₂₀Co₂₀Cr₂₀Ni₆（at.%）HEA的微觀結構分析。（a） ECC圖像和（b）EBSD相位圖。

圖 2

圖2所示，EBSD 圖像質量圖（疊加具有Σ3 孿生邊界）、相圖和 KAM退火后具有不同異質微觀結構的高熵合金樣品圖不同的條件。

圖 3

圖3，在拉伸變形之前在700 ?C下退火的1型樣品中納米孿晶區域的微觀結構分析。（a）突出顯示Σ3的EBSD相位圖，納米孿晶區域的孿生邊界。（b）中的插圖是<110>區域軸上的SAED圖案，具有孿生和矩陣反射。（e） HAADF-STEM-EDS分析顯示鐵、錳、鈷、鉻和鎳分布均勻。

圖 4

圖4，拉伸變形前 1 型樣品中超細晶粒區域的微觀結構分析。

圖 5

圖5，.在拉伸變形之前，在 800 ?C 下退火 30 分鐘（2 型）的完全重結晶樣品的微觀結構分析。（a）具有生物或生物意義的海洋生態系統障礙圖像質量圖，突出顯示細粒度區域的Σ3 孿生邊界和（b）相位圖。（c）細粒度區域的ECC圖像。（d）細粒度的HAADF-STEM圖像地區。（e）明場透射電鏡圖像和（f）西格瑪相位、9R結構和FCC矩陣的高分辨率透射電鏡圖像。相應的FFT模式顯示在右邊揭示了方向關系。“σ”是指西格瑪階段。

圖 6

圖6.（a）在700°C（1型）和800°C（2型）下退火的非等原子高熵合金樣品的工程應力-應變曲線;等原子高熵合金的曲線（b）與相應應變疊加的真實應力-應變曲線硬化曲線。紅色箭頭表示應變硬化的增加。

圖 7

圖7，.兩種高熵酸氮化物樣品變形微觀結構的EBSD分析。（a） 1型樣品在700 ?C下退火，局部應變為~40%。（b）2 型樣品在 800 ?C 下退火，局部應變為 ~60%。第一列和第二列顯示圖像質量圖（覆蓋邊界）和相位圖

圖 8

圖8（a）兩種類型的HCP變體（V1和V2）拉伸變形后在700 ?C（類型1）下退火的樣品中納米孿晶區域的ECC圖像。（b）兩種HCP變體的高分辨率TEM圖像。（c）類型中靠近斷裂表面的超細晶粒區域的ECC圖像（局部應變~40%）;插圖是EBSD相位圖，裂縫由淺藍色圓圈突出顯示。（d）西格瑪相位內裂紋區域的明場透射電鏡圖像粒子。（e）裂縫附近矩陣的高分辨率透射電鏡圖像;插圖是裂縫附近基體的SAED圖案。“σ”是指西格瑪階段。

圖 9

圖9. .在800°C下退火的樣品粗晶區域中的變形微觀結構（2型）。（a）和（b）EBSD圖像質量和相位圖2型樣品的斷裂表面附近的粗粒區域（局部應變~60%）。（c） ECC圖像顯示FCC矩陣中的HCP相位。（d）高分辨率拉伸變形后粗晶區域的TEM圖像和相應的FFT圖譜。

圖 10

圖10. .退火樣品細晶區域中的變形微觀結構800 ?C（類型 2）。（a）具有局部應變的細粒度區域的 ECC 圖像 ~60%類型 2 樣品;插圖是對應的EBSD階段圖;裂縫由淺藍色圓圈。FCC 和 HCP 階段是以紅色和綠色突出顯示。（b）裂解區域的明場透射電鏡圖像西格瑪階段。插圖是 SAED 圖案裂縫附近的西格瑪相。（c）和（d）高分辨率HAADF-STEM圖像裂縫附近的西格瑪和HCP相位。"σ"指西格瑪階段。

圖 11

圖11. 熱計算器預測了Fe_40-xMn₂₀Cr₂₀Co₂₀Ni_x的TCHEA 3.0相圖：（a）x=20，（b）x=12，（c）x=9和（d）x=6。所有圖像中的兩條虛線表示退火溫度（700 和 900 ?C）。

圖 12

圖12.Fe_40-xMn₂₀Cr₂₀Co₂₀Ni_x合金體系中預測的σ相數據（在%;x=20，12，9和6）合金體系中。（a）在平衡狀態下退火后各種高熵合金的相熱力學穩定西格瑪的體積分數。（b）各種退火高熵合金的VEC合金成分圖。綠色和紅色箭頭表示退火后分別不存在和存在西格瑪相。

圖 13

圖13. 類型 2 樣品中的開裂行為。（a） ECC 圖像和（b）具有不同局部應變（5–60%）的 2 型樣品的相應示意圖。

圖 14

圖14. .類型 1 樣本的典型 EBSD 映射。（a）定向和（b）局部應變為~40%的KAM圖譜。

綜上所述，在這項工作中，我們展示了一種結合緩解階段的方式來轉化結構，以操縱含有脆性西格瑪相的典型非等原子FeMnCoCrNi HEA的機械性能。我們觀察了兩種類型的微觀結構：i）具有納米孿晶和超細晶粒區域的1型； ii）具有粗粒和細粒區域的 2 型。1型樣品在700?C下退火30分鐘，連接效應由反向相變和超細引發的納米孿生由納米尺寸的西格瑪顆粒穩定的晶粒，極大地增強非等原子FeMnCoCrNi HEA，實現產量和最終中等時的抗拉強度分別為~1040和~1280 MPa，總伸長率（~27%）。在退火率較高時， 2 型樣品中溫度（800?C30分鐘），消融轉化更多在粗粒和細粒區域積極促進（~44.4 vol.%）。轉變在延遲甚至抑制裂紋成核和西格瑪相的擴展進入矩陣，形成高斷裂強度和延展性（~1130 MPa 和 ~50%）。

因此，這項工作證明了成功使用轉化結構操縱復雜合金的性能，這種方法通常適用于設計含有脆性金屬的堅固且要求延展性較高的散裝材料中。