高熵合金（HEA）最初是作為多個(gè)主要元素以相等或接近相等的原子比的濃縮固溶體開發(fā)的，在過去的十年中，它逐漸引起人們的關(guān)注。與單一的主要元素合金不同，它們的復(fù)雜合金組成和元素分布，以及由于原子尺寸失配（取決于相對(duì)原子尺寸）引起的晶格畸變，會(huì)對(duì)它們的晶體缺陷的活性以及機(jī)械性能產(chǎn)生重大影響。但是，仍然缺乏動(dòng)態(tài)微觀結(jié)構(gòu)演化的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，尤其是相變及其對(duì)力學(xué)行為的直接影響。

近日，浙江大學(xué)、韓國首爾大學(xué)、澳大利亞新南威爾士大學(xué)與美國加州大學(xué)合作的一項(xiàng)最新研究表明，高熵合金應(yīng)變硬化是由于三維錯(cuò)層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的形成而造成的，它阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并進(jìn)一步為hcp的形成提供了優(yōu)選的位置。通過TRIP效應(yīng)進(jìn)入相位，發(fā)生局部化學(xué)成分的變化加劇的現(xiàn)象，為高熵合金的力學(xué)行為研究提供了理論基礎(chǔ)。相關(guān)論文以題為“Real-time observations of TRIP-induced ultrahigh strain hardening ina dual-phase CrMnFeCoNi high-entropy alloy”于2月11日發(fā)表在Nature Communications。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-020-14641-1

研究人員根據(jù)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將Cr20Mn6Fe34Co34Ni6雙相高熵合金（DP-HEA）與等原子CrMnFeCoNi Cantor合金進(jìn)行單軸拉伸性能和晶粒組織比較。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，DP-HEA抗拉強(qiáng)度接近1 GPa，抗延展性接近60％，其性能大大高于Cantor合金，DP-HEA中的整體微觀結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸在3至10μm之間變化（圖1c），明顯優(yōu)于Cantor合金（圖1b）。DP-HEA由fcc基質(zhì)組成，其中hcp相以層狀形式生長。在DP-HEA的fcc矩陣中出現(xiàn)Lomer位錯(cuò)鎖，能夠穩(wěn)定堆垛層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，從而對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（加工硬化）產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻礙作用，還可以促進(jìn)SF底部hcp相的形核和生長。

圖1 雙相和Cantor合金的比較（紅色為奧氏體fcc相，綠色為hcp ε-馬氏體，比例尺20μm）

圖2 DP-HEA的TEM和STEM表征

圖3 薄hcp板的交叉點(diǎn)和堆垛層錯(cuò)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙影響

研究人員對(duì)fcc奧氏體，hcp ε-馬氏體和fcc/hcp雙相支柱進(jìn)行納米壓縮測試。發(fā)現(xiàn)三種結(jié)構(gòu)支柱均相對(duì)均勻地變形，表明具有很高的塑性穩(wěn)定性。雙相的極限強(qiáng)度最高，其次是純hcp相，最后是純fcc相，hcp相明顯強(qiáng)于fcc相，穩(wěn)定的堆垛層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)相變（TRIP）效應(yīng)的基礎(chǔ)，而動(dòng)態(tài)相變是這種雙相高熵合金具有出色的塑性和應(yīng)變硬化的主要來源。

圖4 三種結(jié)構(gòu)原位TEM壓縮測試

雙相HEA Cr20Mn6Fe34Co34Ni6與Cantor合金相比具有較大的晶格畸變，成分上增加了Co和Fe含量，而降低了Mn和Ni含量。化學(xué)成分的這種變化不僅會(huì)造成位錯(cuò)滑移的物理障礙，而且可能是調(diào)節(jié)局部堆垛層錯(cuò)能量的關(guān)鍵因素。

圖5 DP-HEA中兩個(gè)堆疊斷層相交處的元素分布、映射和線形圖

綜上所述，在雙相高熵合金中，連續(xù)的原位相變是應(yīng)變硬化的主要因素。與傳統(tǒng)的雙相合金不同，在DP-HEA中，這種轉(zhuǎn)變的動(dòng)機(jī)在于建立堆疊-故障網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)形成了fcc→?hcp轉(zhuǎn)變，并且由于與晶格摩擦有關(guān)的波動(dòng)而固有地形成集中波。該研究可以為理解雙相HEA在原子尺度上的局部化學(xué)結(jié)構(gòu)以及與氫的動(dòng)態(tài)演化的協(xié)同效應(yīng)提供良好的基礎(chǔ)。TRIP效應(yīng)產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)，是這種復(fù)雜的Cantor型雙相合金中結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的基礎(chǔ)。