導讀：在BCC結構的輕質難熔高熵合金（LRHEA）變形過程中，低應變硬化率（SHR）引起的應變局部化會導致合金過早頸縮，導致均勻拉伸延展性（UTD）差，限制了它們的加工性和適用性。為了解決這一問題，北京航空航天大學材料科學與工程學院王華明研究團隊通過“增材+變形”后處理引入多尺度異質結構，包括微觀雙峰晶粒分布、亞微米球形C14-Laves相、納米級局部化學波動（LCF）和小于1nm的原子團簇，將合金的SHR從負提高到1.5 GPa。與初始均勻化樣品相比，合金的強度提高了13.8%，UTD提高了710%，整體性能優于大多數LRHEA。雙峰晶粒界面可以有效地協調變形過程中兩者之間的應變分布，加速幾何必要位錯（GND）的產生和儲存，背應力隨著應變而累積和增加，穩定硬化能力。同時，精細分散的C14-Laves相在不影響塑性的情況下起著沉淀強化的作用。基體的LCF和Al-Zr原子團簇可以進一步調節統計存儲位錯（SSD）的形態和分布。一方面，它們可以有效地釘扎位錯并使其彎曲，從而增加SSD的遷移阻力；另一方面，由微帶阻斷和多滑移系統相互作用引起的位錯纏結激活了新的位錯源，導致次級微帶以網狀方式迅速擴張。這些顯著提高了塑性變形過程中的同步位錯增殖率和動態位錯密度，保持了合金高而持續的SHR。因此，通過引入多尺度異質結構來優化GND和SSD密度和分布的協調，可以有效地提高LRHEA的SHR，從而實現強度和UTD之間的良好匹配。

相關研究成果以“Enhancing the strain-hardening rate and uniform tensile ductility of lightweight refractory high-entropy alloys by tailoring multi-scale heterostructure strategy”發表在塑性領域國際頂級期刊“International Journal of Plasticity”上。論文通訊作者為北航材料學院朱言言副研究員，第一作者為北航材料學院博士生張言嵩。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104237

https://authors.elsevier.com/a/1kQ5B2gSkSbiSy

圖 1.合金熱加工路線的示意圖

圖 2.四個樣品的 EBSD 結果。（a） HT 樣品的反極圖 （IPF） 圖。（b） CR70 樣品的 IPF 圖。（c） CR70 樣品的KAM 圖。（d） RA 樣品的 IPF 圖，其中實線表示 CG，虛線表示 FG。（d1、d2）放大的晶粒尺寸圖，顯示了與 （d） 中的白框相對應的晶粒形態。（e） （d） 中 FG 和 CG 區域的晶粒尺寸分布。（f） AT 樣品的 IPF 圖，其中實線表示 CG，虛線表示 FG。（f1、f2）放大的晶粒尺寸圖，顯示了與 （f） 中的白框相對應的晶粒形態。（g）（d）中 FG 和 CG 區域的晶粒尺寸分布。

圖 3.四個樣品的 TEM 觀察。（a） HT 樣品的明場 （BF） 圖像。（b） CR70 樣品的 BF 圖像。（c） RA 樣品的 BF 圖像。（d） AT 樣品的 BF 圖像。（e） AT 樣品中 C14 相的 BF 形貌圖像。（e-1∼e-5）EDS 映射顯示了 C14 沉淀物的相應元素分布。（f） 衍射圖譜對應于 AT 樣品中的 BCC 矩陣。（g） 衍射圖譜對應于 AT 樣品中的 C14 相。

圖 4.AT 樣品的詳細 TEM 觀察。（a） HAADF-STEM 圖像顯示了納米級 LCF。（b） 高分辨率 TEM （HRTEM） 圖像說明了 LCF 和 BCC 基體沿 [111] 區軸的分布。（b-1）BCC 矩陣的快速傅里葉變換 （FFT） 圖像如 （b） 所示。（b-2）LCF 的 FFT 圖像如 （b） 所示。插圖：在 BCC 基體和 LCF 的衍射點比較中觀察到的輕微偏差。（c） BCC 基體中 LCF 的隨機暗場 （DF） 圖像。（d） 渲染后 LCF 更明顯的形態對應于 （c）。（d-1）分布在 BCC 矩陣中的少量納米團簇。（d-2）分布在 LCF 中的密集納米團簇。（e） RA 樣品沿 [111] 區軸的 HRTEM 圖像。（E-1）（e） 的晶格膨脹場。（f） AT 樣品沿 [111] 區軸的 HRTEM 圖像，包括基質和 LCF。（f-1） （f） 的晶格膨脹場。

圖 5.沿 [001] 區軸的原子結構的 AT 樣品的 HAADF-STEM 圖像和相應的原子分辨率 EDS 映射，以顯示原子團簇。（a） 原子結構的 HAADF–-STEM 圖像。（a-1∼a-5）對應于 （a） 的每個元素的 EDS 映射。（b） 沿 （a） 中黃色方塊區域 [110] 方向的單元分布的逐列線掃描剖面。（c） Al+Zr 元素的對比疊加圖。（d） Nb+Zr 元素的對比疊加圖。

圖 6.四類樣品的拉伸試驗。（a） 拉伸真應力-應變曲線，交點處的應變（用黃色五角星標記）代表均勻拉伸延展性 （UTD）.（b）完整的 SHR 曲線。（c）這項工作的屈服強度-UTD 與以前報道的 RHEA 之間的比較。

圖7.AT 樣品的變形異質性和背應力強化效應。（a） CG/FG 界面的晶粒尺寸分布映射。（b） （a） 的 KAM 映射。（c） 變形前后雙峰晶區的納米壓痕載荷-位移曲線。（d） GND 映射。（e） GNDs 分布示意圖對應于 （d）。（f）7 個點的 GND 值對應于 （d） 中的粉紅色線。

圖8.（a） AT 樣品的應變硬化速率曲線。（b） AT 樣品的位錯密度與真實應變的關系，由原位拉伸衍射圖譜和 Williamson-Hall 方法得出。

圖9.在 ε∼ 0.04 應變下 AT 樣品精細微觀結構的 TEM 特性。（a） 變形位錯陣列的 BF 圖像。（b） 陣列內彎曲和堵塞的位錯的 BF 圖像。（c） 關于 LCF 誘導的位錯的固定效應的 BF 圖像。（d） 固定位錯的低放大倍率 STEM 圖像。（e） 固定點處的高分辨率 HAADF-STEM 圖像，其中白色虛線圓圈表示對比度波動區域。（f） 沿 （e） 中黃色方塊區域的 [110] 方向的對比度分布的逐列線掃描剖面。

圖 10.AT 樣品在 ε∼ 0.08 處的 TEM 變形微觀組織和斷裂應變。（a） 多滑移系統的 BF 圖像。（b） 位錯陣列中纏結的 BF 圖像和多滑移系統的交點。（c） 位錯糾纏形成示意圖。（d， e）具有不同滑移方向的次級微帶的 BF 圖像。（f） 位錯糾纏的次級微帶示意圖。

圖 11.拉伸變形過程中四個樣品的初始微觀結構和變形機制示意圖。

結論：

本研究將一種復雜的多尺度異質微觀結構策略引入低 SHR 和較差的 UTD LRHEA中，實現了高強度和卓越 UTD 的獨特組合。對微觀結構演變、拉伸性能和變形機制進行了細致而全面的表征和分析，得出以下結論：

1.高溫再結晶退火成功地在 LRHEAs 中引入了完全再結晶的微觀雙峰晶粒和亞微米球形 C14 相。采用低溫長期老化引入納米級 LCF 和非均勻分布的 Al-Zr 原子團簇。通過分層控制成核生長、調幅分解和負混合焓驅動的多級熱力學響應，制備了復雜的多尺度異質微觀結構。

2.室溫拉伸試驗表明，這種多尺度異質微觀結構將 RA 和 AT 樣品的 SHR 從 HT 和 CR70 樣品的負值提高到大于 1GPa 的穩定值。值得注意的是，在變形后期，AT 樣品的 SHR 進一步增加到 1.5GPa。與原始 HT 樣品相比，AT 樣品的屈服強度提高了 13.8 %，UTD 提高了 710 %，使其綜合機械性能在現有 LRHEA 中名列前茅。

3.HT 和 CR70 樣品中的低 UTD 歸因于負 SHR，這是由于 GND 和 SSD 在塑性變形過程中不協調的平衡。RA 樣品通過引入雙峰晶粒和少量 C14 相來增加變形過程中 GND 的存儲，進一步穩定了 SHR。在此基礎上，AT 樣品進一步引入了 LCF 和 Al-Zr 原子團簇。一方面，它們增強了對 SSD 遷移的抵抗力，另一方面，它們通過 SSD 的快速增殖實現了局部應變的離域，從而延緩了頸縮的發生。與這些多尺度異質微觀結構相對應的變形機制的協同效應可以顯著提高合金的 SHR，為解決當前 LRHEA 中低 UTD 的問題提供有價值的見解。