導讀：單相面心立方（fcc）中高熵合金（MEA/HEAs）具有高延展性但屈服強度低。本工作通過冷軋和后續退火對單相fcc Ni2CoFeV0.5 MEAs的微觀結構進行了定制，得到了由再結晶微晶片（平均晶粒尺寸為?4 μm）和非再結晶納米/超細晶片組成的典型非均相薄片（HL）結構。拉伸試驗表明，大多數HL樣品表現出優異的強度和延展性協同作用。約23 vol%再結晶晶粒在590 °C退火1 h的HL試樣屈服強度高達1120 MPa，斷裂伸長率較軋制試樣分別提高了5%和46%。退火誘導的屈服強度增加歸因于再結晶晶粒中的高密度退火孿晶界（TBs），非再結晶晶粒內部移動位錯的湮滅以及HL結構產生的額外異質變形誘導強化。Ni2CoFeV0.5 MEA的霍爾-佩奇關系可以通過計算TBs和晶界來合理描述，晶格摩擦應力為87.3 MPa，系數為722.8 MPa μm1/2。我們的工作為通過低成本和高效率的熱機械處理制備具有優異機械性能的MEA/HEAs提供了可選和可控的解決方案。

先進結構材料的發展一直受到眾所周知的強度-延展性權衡的困擾。在大多數情況下，拉伸屈服強度（YS）以犧牲延展性為代價而增強，反之亦然。在四種傳統的強化理論中，固溶強化，即微合金化，是在盡可能保持延性的同時提高強度的最佳方法。基于此，據報道，一類超固溶合金，即2004年提出的中高熵合金（MEAs/HEAs），表現出強度和延展性的出色組合。通常，MEA的等原子或近等原子主元素大于3，高熵的對應物大于5，其構型熵分別大于1R和1.5R（R = 8.314 J mol–1 K–1）。在過去的二十年中，多系統MEA/HEA已經開發出來，并表現出優異的性能，例如高強度，高硬度，優異的耐輻照性、高塑性等。通常，具有單相面心立方（fcc）結構的多組分高熵康托爾合金（CrMnFeCoNi）及其衍生物在室溫和低溫下具有高強度，良好的延展性和優異的斷裂韌性。

越來越多的研究表明，通過在單相FCC MEA/HEA中引入不同尺寸的原子來增加晶格畸變可以同時提高強度和延展性，這是由于化學短程順序增強了位錯滑移的抵抗力。例如，在Ni2CoCrFe合金中添加大尺寸Al和Ti，在康托爾合金中取代Mn的小尺寸Si和間隙N摻雜FeMnCoCrHEA 可以有效地打破強度-延展性的權衡。然而，僅通過固溶強化來提高強度是有限的。實際上，在韌性FCC MEAs/HEAs基體中引入納米沉淀相可以大大提高YS。沉淀強化在強化 HEA 方面起著重要作用，因為由于高混合焓，第二相很容易形成。創造性地，一些研究人員設計了一種具有高密度 L12 型多組分金屬間化合物納米顆粒的納米沉淀強化 (FeCoNi)86Al7Ti7 合金。這種雙相合金在環境溫度下表現出 1.5 GPa 的卓越極限抗拉強度 (UTS) 和 50% 的高延展性 ，大大超過 FeCoNi MEA 基體（UTS：~510 MPa，延展性：~32%）。同樣，將雙功能 L12 納米沉淀物引入 Fe-Ni-Al-Ti MEA 中，可強化基體并抑制淬火后的馬氏體相變，并同時提高 UTS 和均勻伸長率。雖然延展性 L12 相可以有效地實現優異的強度和延展性協同作用，但 MEAs/HEAs 中的大多數析出相，如 B2、σ、μ、Laves 和碳化物，難以變形甚至變脆，從而破壞了延展性。

有科研人員設計了一種亞穩態 Fe50Mn30Co10Cr10 HEA，UTS 為 ~860 MPa，延展性為 ~75%，平均晶粒尺寸為 ~4.5 μm。從 fcc γ 相到 hcp ε 相的動態相變和 hcp ε 相中變形誘導的孿晶有助于 Fe50Mn30Co10Cr10 HEA 中增強的應變硬化能力。遺憾的是，完全再結晶的 Fe50Mn30Co10Cr10 HEA 的 YS 小于 350 MPa，限制了結構工程應用。

除了成分設計外，調整微觀結構還可以平衡MEA / HEA和傳統合金的強度和延展性。對于單相催化裂化MEA/HEA，晶界強化和位錯強化是改善YS的主要方法。然而，隨著晶粒尺寸的減小和位錯密度的增加，總拉伸伸長率不可避免地減小。近年來，為了獲得強度和延展性的最佳組合，在傳統合金中廣泛構建了包括梯度結構、雙/多峰結構、非均質薄片（HL）結構、諧波結構等在內的非均相結構。同樣，一些研究表明，異質結構MEA/HEAs克服了強度-延展性權衡。科研人員在細晶（FG）Al0.1CoCrFeNi HEA中引入了異質梯度位錯單元結構（GDS），并在沒有明顯延展性損失的情況下增強了強度。兩種GDS HEA的YS均較高，分別為?362和?539 MPa，約為FG樣品的兩到三倍（YS：?185 MPa）。此外，兩種GDS HEA的延展性均為?65%，相對于FG樣品（約70%）略有降低。科研人員試圖在Fe35Ni35Cr25Mo5 MEA中構建HL結構，該結構由粗粒（CG）fcc基質薄片和超細晶片與納米沉淀物組成。該HL MEA具有優異的拉伸性能，YS超過1.0 GPa，總伸長率為?13%。除了額外的異質變形誘導（HDI）強化外，降水強化也有助于提高YS。SF誘導的塑性和TWIP在保持上述Al0.1CoCrFeNi HEA和Fe35Ni35Cr25Mo5 MEA的良好延展性方面發揮了關鍵作用。

南京理工大學趙永好教授研究團隊通過冷軋結合后續退火法對單相fcc Ni2CoFeV0.5 MEAs的微觀結構進行了定制。具體而言，通過中溫長時間退火將HL結構引入Ni2CoFeV0.5 MEAs中，以獲得具有最佳強度和延展性協同作用的可控性能。通過電子背散射衍射（EBSD）表征詳細研究了冷軋和退火樣品的微觀結構演變。透射電子顯微鏡（TEM）和高分辨率透射電鏡（TEM）聚焦600 °C退火3 h的HL樣品，發現位錯滑移是主導變形機理，高密度退火孿晶界（TBs）通過阻礙位錯滑移來強化再結晶晶粒（RGs）。此外，還進行了循環加-卸-重載（LUR）拉伸試驗，揭示了HDI強化和硬化的效果。

相關研究成果以題“ Strengthening and toughening bulk Ni2CoFeV0.5 medium-entropy alloy via thermo-mechanical treatment”發表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223000816       

圖1 （a）SEM圖像，（b）相應的EDS映射，以及（c）鑄件Ni2CoFeV0.5 MEA的EBSD晶體取向圖。（c） 中的插圖是反極圖 （IPF） 顏色代碼。（d） 鑄造和隨后經過熱機械處理的Ni2CoFeV0.5 MEA的XRD圖譜。

圖2 冷軋Ni2CoFeV0.5 MEA的微觀結構.（a） EBSD晶體取向圖，IPF顏色代碼為Z1 // TD。RD：軋制方向;TD：橫向;ND：正常方向。（b） 分別用黃線和黑線標出低角度和高角度國標的國標地圖（拉格：2°–15°，HAGB：> 15°）。（b） 中的插圖是 GB 定向誤差角的分布。來自（c）RD-ND和（d）RD-TD平面的明場TEM圖像。（c）中的插圖是與[011]的區軸對應的選定區域電子衍射（SAED）圖。

圖3 （一、三）冷軋Ni2CoFeV0.5 MEA中納米薄片的高分辨率透射電鏡圖像。堆垛故障 （SF） 用綠色箭頭標記。（二、四）從 {11`1 }獲得的逆快速傅里葉變換 （IFFT） 模式反射，分別從 （a） 中的白色方塊和 （c） 中的黃色方塊推導出來。

圖4 具有不同HL結構的退火Ni2CoFeV0.5 MEA的EBSD晶體取向圖：（a）HL-590 °C-1 h;（b） HL-600°C-3小時;（c） HL-620 °C-30 分鐘和 （d） HL-620 °C-1 小時。（a， b） 中的插圖是局部放大的細節。Z1的IPF顏色代碼與TD平行。（e）晶粒尺寸和（f）GB取向角的相應分布。

圖5 來自RD-ND平面的HL-590 °C-1 h Ni2CoFeV0.5 MEA的透射電鏡圖像。（a） 嵌入納米薄片的重結晶亞微米晶粒。（b） （a）中再結晶晶粒的SAED模式，顯示雙向孿晶T1和T2。（c） 重結晶微晶中的高密度退火納米孿晶（NTs），用白色箭頭指向。

圖6 （a） 來自RD-ND平面的HL-600 °C-3 h Ni2CoFeV0.5 MEA的低放大倍率TEM圖像。（a）中的綠色虛線區域表示重結晶的薄片，藍色區域是剩余的變形顆粒。（b） （a）中正方形區域的放大視圖。NTs：納米孿晶。（c） （b）中再結晶晶粒的SAED模式。（d） 非重結晶區的納米薄片和相應的SAED圖案。

圖7 （a）HL-590 °C-1 h的局部定向誤差圖;（b） HL-600°C-3小時;（c） HL-620 °C-30 分鐘，和 （d） HL-620 °C-1 h Ni2CoFeV0.5 MEA。（c） 中的插圖是彩虹色條（藍色到紅色表示低到高定向錯誤）。（e） 相應的KAM價值分布。`K：平均 KAM 值。RGs（K < 1°）：重結晶晶粒;NRGs（K > 1°）：非重結晶晶粒。非重結晶區的峰值KAM值由（e）中的綠色箭頭表示。

圖8 在（a）650°C下退火的Ni2CoFeV0.5 MEA的EBSD晶體取向圖;（b） 700°C;（c） 800 °C 和 （d） 900 °C 1 小時。Z1的IPF顏色代碼與TD平行。（e）晶粒尺寸和（f）GB取向角的相應分布。

圖9 在（a）650 °C下退火的Ni2CoFeV0.5 MEA的局部取向錯誤圖;（b） 700°C;（c） 800 °C和 （d） 900 °C 持續 1 小時。子晶界由白色箭頭指示。（e） KAM價值的相應分布。

圖10 不同條件下Ni2CoFeV0.5 MEAs熱機械處理后的拉伸性能（a） 工程應力-應變曲線。（b） 真實應力和應變硬化率與真實應變的比較。NLG：納米層狀顆粒。

本研究采用冷軋后退火等方法對單相Ni2CoFeV0.5 MEAs的微觀結構進行了調整，并測試了其拉伸性能。采用EBSD和TEM系統研究了熱機械處理后的微觀結構演變，揭示了拉伸下的變形機理。主要結論如下：

Ni2CoFeV0.5 MEA的YS高達1071 MPa，但冷軋后延展性較差，為8.4%，這是由于存在高密度位錯纏結、壁、細胞、SF和LAGB的大量變形結構所致。部分退火后，得到了由再結晶微晶片和非再結晶納米/超細晶片組成的典型HL結構。與CR90樣品相比，HL-590 °C-1 h樣品的強度和延展性同時增強。特別值得注意的是，在?23體積%RGs下，HL-590 °C-1 h樣品的YS和UTS分別提高了5%和7%。退火誘導的強化歸因于RG中的高密度退火TB，NRG內部移動位錯的湮滅以及HL結構產生的額外HDI強化。

HL-620 °C-30 min樣品具有近似延展性，但強度低于HL-600 °C-3 h樣品。兩個樣品的軟片和硬片的體積分數比相似，但軟薄片的空間分布明顯不同。這是因為較小的界面間距和較高的軟/硬薄片界面密度有助于更顯著的HDI強化和硬化。此外，HL-620 °C-30 min樣品在硬層中具有較高的位錯密度，這將導致軟/硬層界面處應力集中過多。

Ni2CoFeV0.5 MEA的霍爾-佩奇關系可以通過計算TB和GB來合理描述。晶格摩擦應力（σ0）和霍爾-佩奇系數（k）分別為87.3 MPa和722.8 MPa μm1/2。