導讀：本文使用一種模型用于沉淀強化的 Fe-Ni-Al-Ti 中熵合金，展示了一種將這些雙重功能結(jié)合在單一合金中的策略。合金中的納米沉淀物，除了提供基體的常規(guī)強化外，還調(diào)節(jié)其從面心立方奧氏體到體心立方 (bcc) 馬氏體的轉(zhuǎn)變，限制其在通過轉(zhuǎn)變溫度淬火后保持亞穩(wěn)態(tài)面心立方。在隨后的拉伸試驗中，基體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方馬氏體，從而顯著提高強度、加工硬化和延展性。這種納米沉淀物的使用利用了沉淀強化和相變誘導塑性之間的協(xié)同作用，從而同時提高了拉伸強度和均勻伸長率。

具有面心立方 (fcc) 結(jié)構(gòu)的單相高和中熵合金可以表現(xiàn)出高拉伸延展性和優(yōu)異的韌性，但它們的室溫強度較低。位錯障礙如晶界、孿晶界、溶質(zhì)原子和沉淀物可以增加強度。然而，這樣的障礙往往會降低延展性。有趣的是，沉淀物也會阻礙相變。

美國橡樹嶺國家實驗室的Ying Yang和Easo P. George（共同通訊作者）等人以沉積強化的鐵-鎳-鋁-鈦（FNAT）中熵合金作為模型材料，闡釋了一種可在單一合金中整合雙功能的策略。這一利用納米沉積物的策略探索了沉積強化和轉(zhuǎn)變誘導塑性之間的協(xié)同作用，可造成拉伸強度和均勻延伸的同時改善。相關(guān)成果以題為“Bifunctional nanoprecipitates strengthen and ductilize a medium-entropy alloy”的文章于2021年07月07日在線發(fā)表在Nature上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03607-y

該策略背后的概念可以用兩種假設的合金來說明。合金 Α1 在升高的溫度下是單相 fcc（奧氏體），圖1a。它的成分是這樣的，當淬火到室溫時，它應該會轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方馬氏體，圖1b。合金 Α2 在高溫下具有兩相微觀結(jié)構(gòu)，圖1c，包括分布在 fcc-奧氏體基體中的析出物，其組成與 A1 相同。因此，在沒有析出物的情況下，A2 基體在淬火時也應轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方馬氏體。然而，由于析出物的空間限制，我們預計其馬氏體轉(zhuǎn)變將被抑制，從而產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài) fcc-奧氏體的基體

圖 1：FNAT-m-47h 和 FNAT-47h 合金的顯微組織和拉伸性能。a – d , 示意圖顯示高溫下無沉淀的奧氏體 (A1; a ); 淬火至室溫后轉(zhuǎn)變馬氏體（A1；b）；奧氏體+高溫下的沉淀物（A2；c）；淬火至室溫后殘留奧氏體和沉淀物（A2；d）。e，EBSD 圖像質(zhì)量和相圖顯示水淬后 FNAT-m-47h 的完全馬氏體結(jié)構(gòu)。f，散射強度與反向波長的 SANS 圖顯示在 FNAT-m-47h 中沒有納米沉淀的證據(jù)；誤差棒代表 1 個標準偏差。G，EBSD 圖像質(zhì)量和相位圖顯示水淬后 FNAT-47h 中的等軸 fcc（紅色）和透鏡狀 bcc（綠色）區(qū)域。h，SANS 圖顯示了對應于 FNAT-47h 中納米沉淀物的駝峰；誤差棒代表 1 個標準偏差。i，在室溫下進行拉伸試驗的淬火態(tài) FNAT-m-47h 和 FNAT-47h 合金的工程應力-應變曲線示例；ΔUTS、ΔUE 和ΔYS 分別代表極限拉伸強度（UTS）、均勻伸長率（UE）和屈服強度（YS）的增加。

圖 2：FNAT-47h 和 FNAT-4h 合金的微觀結(jié)構(gòu)分析a、b、APT 來自 FNAT-47h 的 fcc 晶粒，顯示了fcc 基質(zhì)中 L1 2沉淀物的分布和組成。c，F(xiàn)NAT-47h的高分辨率中子衍射圖。黑色十字表示觀察結(jié)果，紅線表示通過 Rietveld 細化計算得出的擬合。d – f，F(xiàn)NAT-47h 的 TEM 結(jié)果。d，SAED 圖案，其中橙色虛線和圓圈表示[110] 區(qū)域中的fcc 和 L1 2斑點，白色虛線連接 [100] 區(qū)域中的 bcc 斑點。e，STEM-HAADF 圖像顯示嵌入在 fcc 基質(zhì)中的 L1 2沉淀。F, e 的傅立葉濾波圖像顯示 L1 2（綠色）、fcc（藍色）和 bcc（紅色）區(qū)域。g , h , FNAT-4h 的 APT 結(jié)果顯示了 fcc 基質(zhì)中 L1 2沉淀的分布和組成。i，F(xiàn)NAT-4h 的高分辨率中子衍射圖。黑色十字表示觀察結(jié)果，紅線表示通過 Rietveld 細化計算得出的擬合。j , k , FNAT-4h 的 TEM 結(jié)果。j，帶有紅色虛線和圓圈的 SAED 圖案表示[110] 區(qū)域中的fcc 和 L1 2點。k , STEM-HAADF 圖像顯示 L1 2 沉淀嵌入 fcc 基質(zhì)中。

值得注意的是，我們在本研究中使用的沉淀物的特性（尺寸和間隔），以控制空間限制，并反過來，常規(guī)強化，馬氏體相變，并且相變誘發(fā)塑性，其不同于先前的工作，其中沉淀是用于改變基體組成（因此Mfs溫度或堆垛層錯能）。我們的研究結(jié)果闡明了通過在不改變合金成分的情況下調(diào)整雙功能沉淀物的特性（尺寸、間距）來優(yōu)化不同變形機制的順序激活的新途徑。

圖 3：FNAT 合金的室溫機械性能和變形機制。a，在 700 °C 下退火 47 小時（紅色）、8 小時（黑色）和 4 小時（藍色）的 FNAT 的工程應力-應變曲線。b，F(xiàn)NAT-47h 和 FNAT-4h 的真實應力-應變曲線。c，F(xiàn)NAT-47h 和 FNAT-4h 的加工硬化率與真實應變的關(guān)系。d，來自 FNAT-47h 拉伸測試樣品的中子衍射圖在 0%（“初始”）、2% 和 8% 的真實應變下中斷。e，來自 FNAT-4h 拉伸測試樣品的中子衍射圖在 0%（“初始”）、5% 和 23% 的真實應變下中斷。

圖 4：當前 MEA（FNAT-47h、FNAT-8h 和 FNAT-4h）與其他 HEA 和鋼在室溫下的均勻伸長率與極限拉伸強度的比較。

我們還可以修改基體的組成來改變馬氏體形成的化學驅(qū)動力和析出物的體積分數(shù)，從而改變對強度和相變的空間限制效應。我們希望這里展示的策略適用于與 FNAT 具有共同特征的其他系統(tǒng)（傳統(tǒng)合金和 HEAs），特別是在相變基質(zhì)中形成納米沉淀的能力。