導讀：具有面心立方(FCC)結構的復雜成分合金(CCAs)具有優異的力學性能，為結構材料合金設計引入了成分空間的擴展。通過配置各種過渡元素可以形成單一的固溶相，而摻雜少量其他元素通常也會形成脆性的金屬間化合物。本文通過對單一FCC (CoNi)100-xMox合金的系統研究表明，廣泛的耐火元素Mo可以在保持固溶體結構的同時提高強度和延展性。原子尺寸大于三維過渡元素的Mo的加入會導致FCC晶格出現嚴重的晶格畸變，并導致Mo原子富集的晶界偏析。此外，增加Mo含量可有效降低層錯能(SFE)。隨著Mo含量的增加，晶格畸變的增加增強了合金的固溶強化。此外，隨著SFE的降低和晶界偏析對位錯部位的穩定，這種提高的固溶強化增加了晶界強化，達到了1 GPa的屈服強度。此外，隨著Mo的增加，SFE的降低導致位錯子結構的轉變和變形孿晶的細化，從而增強了應變硬化能力，從而提高了~ 1.3 GPa的抗拉強度和~ 50%的塑性。耐火元素Mo的這種綜合和協同作用使單一FCC固溶體的復雜成分合金克服了強度和延性的權衡。

與傳統的稀釋合金相比，由多主元素組成的CCAs作為一種新的合金設計策略，在過去的二十年中受到了廣泛的關注，因為合金系統的多種組合具有顯著的機械性能。在這一領域，研究最廣泛的合金是單一FCC固溶相，以CrMnFeCoNi、CrFeCoNi、CrCoNi和VCoNi為代表。由于與其他強化機制相比，稀FCC合金中固溶強化的作用較小，因此通常認為，在不整合高密度缺陷(如位錯或析出物)的情況下，在單一FCC結構合金中實現高屈服強度是具有挑戰性的。然而，與這一觀點相反，FCC結構CCAs (FCC CCAs)表現出相當高的屈服強度，這僅僅源于兩種強化貢獻，即固溶強化和晶界強化。此外，FCC CCAs中觀察到的各種變形機制，如納米孿晶、相變誘發塑性和滑移帶細化，有助于提高應變硬化能力，從而提高均勻延性。

本研究旨在揭示Mo對單相FCC CCAs微觀組織演變的綜合作用及其強化機制。基于熱力學計算，選擇(CoNi)100-xMox體系中不同Mo含量(8、15和18 at%)的三種合金作為模型合金，因為預測即使Mo含量高達18 at%，也具有寬的單FCC相區。為了避免無序六方緊堆積(HCP)和有序μ相等其他相的形成，在不同的退火條件下，實驗證實了這些合金中單一FCC固溶體的區域。隨后，在一組不同晶粒尺寸的全fcc結構樣品上量化了固溶和晶界強化。結果表明，隨著Mo含量的增加，合金的強度和塑性同時提高。特別是，(CoNi)82Mo18合金在完全再結晶(即位錯密度的貢獻很小)的情況下，表現出高達~ 1 GPa的超高屈服強度，~ 1.3 GPa的抗拉強度和~ 50%的塑性。Mo對固溶強化的潛在影響是通過從頭計算得出的固溶強化與晶格畸變之間的相關性來揭示的。有趣的是，通過增加Mo含量可以實現顯著的晶界強化，這與Mo的固溶強化、晶界偏析以及通過從頭計算和實驗測量量化的SFE變化有關。除了強化作用外，變形結構的轉變也有助于提高應變硬化率，從而提高抗拉強度和均勻塑性。這項工作表明，采用Mo的策略有可能在更大程度上改善CCAs的力學性能。

韓國高麗大學Seok Su Sohn教授團隊的這項研究成果以題為“Compositive role of refractory element Mo in improving strength and ductility of face-centered-cubic complex concentrated alloys”發表在國際期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645423003610

圖1所示。(CoNi)100-xMox合金體系(x = 0-30 at%)在0-1600℃溫度范圍內的平衡偽二元相圖。組成范圍從(CoNi)92Mo8到(CoNi)82Mo18以藍色突出顯示。

圖2所示。通過XRD分析(a) Mo8、(b) Mo15、(c) Mo18合金在不同溫度下退火1h后的物相。(d)計算所得合金及等原子CoNi二元合金的FCC相晶格參數。

圖3所示。(a1-a4) Mo8、(b1-b4) Mo15和(c1-c4) Mo18合金在不同溫度下退火1h后的BSE圖像。FCC固溶體單相和FCC- hcp雙相試樣分別用紅點和藍虛線框表示。

圖5所示。FCC單相Mo18合金的APT元素分布分析 

圖6所示。(CoNi)100-xMox合金的力學性能。(a) Mo8、(b) Mo15、(c) Mo18合金室溫下的工程拉伸應力-應變曲線。(d)屈服應力(以0.2%偏移量測量)與合金平均晶粒尺寸平方根倒數的關系。(e)晶粒尺寸相近的退火合金的應變硬化速率曲線。(f)與其他CCAs和TWIP鋼相比，屈服強度與拉伸伸長率的概述。

圖8所示。晶粒尺寸相近的Mo8、Mo15和Mo18合金在30%的工程應變下變形。(a) Mo8， (b) Mo15， (c) Mo18合金的STEM圖像。相應的DF圖像和sadp(插圖)顯示了(d) Mo8、(e) Mo15和(f) Mo18合金的孿晶亞結構。

圖11所示。Mo8、Mo15和Mo18合金在2%工程應變下變形的位錯分析和SFE測量。

本文系統地研究了(CoNi)100-xMox合金(Mo8、Mo15和Mo18)的顯微組織演變和力學性能。通過理論計算和實驗測量，研究了Mo對相穩定性和力學性能的潛在影響，得出以下結論:

在(CoNi)100-xMox體系中，單個FCC固溶體在% Mo下保持高達18。隨著Mo含量的增加，Mo15和Mo18合金形成單一FCC固溶體所需的最低溫度分別提高到1000℃和1050℃。在較低溫度下，兩種合金中的單一FCC固溶體分解為無序FCC和HCP固溶體和有序D019，而Mo8合金在700℃時仍保持在FCC固溶體中。

對于晶粒尺寸在~ 2 ~ 60 μm范圍內的單一FCC固溶體Mo8、Mo15和Mo18合金，從Mo8到Mo18合金的強度和延展性同時提高。特別是，Mo18合金表現出優異的屈服強度為~ 1 GPa，抗拉強度為~ 1.3 GPa，塑性為~ 50%，盡管處于再結晶的單一FCC固溶體狀態。

通過從頭計算電荷轉移和均方根位移，揭示了Mo對(CoNi)100-xMox體系中晶格畸變的增加起著有效的作用。Mo的加入使Mo18合金的固溶強度從59 MPa提高到229 MPa。結果表明，即使在含難熔元素Mo的(CoNi)100-xMox合金中，晶格畸變和固溶強化也具有良好的相關性。

與其他由3D過渡金屬組成的FCC CCAs相比，(CoNi)100-xMox合金的屈服強度對晶粒細化具有較強的敏感性。在這些合金中觀察到的霍爾-佩奇系數的增強可以歸因于與Mo添加相關的幾個因素的協同作用，如提高固溶強化，降低SFE和Mo在晶界的偏析。然而，由于難以區分這些因素的個體貢獻，需要進一步的系統研究來徹底闡明它們的作用。

在拉伸變形過程中，較高的Mo含量導致較高的應變硬化率，從而提高了強度和塑性。隨著Mo含量的增加，SFE的降低導致位錯亞結構由DC向HDDW轉變，孿晶亞結構細化。位錯和孿晶亞結構的轉變都顯著地阻礙了位錯滑動，并產生了更高的應變硬化能力。