導讀：沉淀相可以有效阻礙位錯滑動，可以顯著提高金屬材料的強度。特別是峰時效條件下的致密納米級析出物可獲得有利的析出物尺寸，以實現顯著強化，然而，這通常會導致延性降低的合金出現局部化漸進應力和過早失效。在這里，我們展示了具有中高層錯能（SFE）的高熵合金（HEA）系統中的“峰時效態的異常延展效應”。與欠時效HEA相比，具有相對較大析出物的峰值時效HEA在強度和拉伸塑性方面均表現出顯著的增加，這與傳統觀點不同。通過激活微帶觸發獨特的多階段應變硬化機制，實現了塑性對析出物尺寸的異常依賴性，這是通過對析出物硬化HEA的析出物尺寸、體積分數和SFE的精細調節實現的。具體而言，加載時的動態活性微帶可同時作為強化的位錯障礙，也是應力分散的起源，導致平衡力學性能的可持續應變硬化。這些發現為先進結構應用的超強韌性金屬材料的創新設計提供了新的見解。

長期以來，對于制造和承重應用中的結構材料而言，獲得堅固而有韌性的金屬材料一直是一個巨大的挑戰。基本上，這兩種相互排斥的力學性質與位錯活動密切相關。一方面，提高強度需要盡可能多的障礙物來阻止位錯的運動。另一方面，合金的拉伸延展性本質上取決于位錯活動在空間分布、增殖和傳播方面的控制程度。

在材料中引入分散的納米沉淀是最有效的強化方法之一。該策略已被廣泛應用于實現各種金屬材料（如馬氏體時效鋼和鎳基高溫合金等）的吉帕斯卡強度。通常，通過峰時效可實現最大強度，指時效材料在特定溫度下達到其最大硬度值，然而，這總是以拉伸延展性為代價。沉淀硬化材料的這種強度-韌性權衡可能源于沉淀和基體之間的變形不相容性。在機械應變過程中，在相界附近通常會出現明顯的位錯堆積，這會導致較大的局部應力集中，加速微裂紋和過早塑性失穩的發生。值得注意的是，沉淀硬化合金的室溫延展性通常由局部應力集中程度決定，局部應力集中程度隨沉淀的增長而明顯增加。因此，可以預期，析出物越小，延展性越好。在以前的許多研究中，可以通過實驗發現這種沉淀尺寸相關的延展性。例如，Peng等人報告，峰值時效（800 °C下24 h）L12強化Ni28Co28Fe21Cr15Al4Ti4 HEA的最大屈服強度為855 MPa，但與未時效樣品（800 °C下4 h）相比，其塑性損失約為13%，析出物相對較少。

有趣的是，在峰時效強化L12HEA中，存在反常的沉淀尺寸依賴延展性。（FeCoNi）85.9Al8Ti6B0.1（at.%）HEA，具有中高層錯能（SFE，53 mJ/m2）[4]。值得注意的是，當在740 °C下時效時，精心制作的合金達到1433±35 MPa的更高強度，與通過較小沉淀強化的欠時效合金相比，塑性甚至提高了約43±1%。峰時效納米沉淀物對多組分HEA系統延展性的這種有趣影響挑戰了傳統智慧，促使我們解讀這種異?，F象的微觀結構起源。因此，在這項工作中，試圖建立加工硬化能力（延展性）和納米沉淀微觀結構特征的內在聯系，包括沉淀體積分數和尺寸。哈爾濱工業大學趙怡潞、香港城市大學開執中和楊濤等人提出并證明，中等至高SFE和相對較大納米沉淀的高體積分數的微妙組合將通過觸發明顯的交叉滑移事件促進微帶的形成，從而導致可持續的應變硬化，從而同時增加強度和延展性。這些發現可以為先進結構材料的未來設計提供一個范例，將強度-延性協同作用推進到一個無法進入的領域。相關研究成果以題“Anomalous precipitate-size-dependent ductility in multicomponent high-entropy alloys with dense nanoscale precipitates”發表在金屬頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117480

摘要圖

圖1 （FeCoNi）85.9Al8Ti6B0.1HEA的顯微硬度隨時效時間的在740 °C下時效的變化。

圖2 （FeCoNi）85.9Al8Ti6B0.1HEA的力學性能和應變硬化行為具有不同時效過程的。（A） UA和PA HEA的工程應力-應變曲線。PA合金的強度和延展性同時增加，插入的低倍斷裂表面未顯示宏觀頸縮。（B） 應變硬化率曲線顯示了PA合金獨特的多階段加工硬化行為。

與UA合金相比，PA合金中較高的位錯存儲率導致過早結晶HDDW的形成，從而導致更高水平的背應力硬化和應變硬化率（圖2中的第一階段）。后來，為了進一步適應塑性應變，多滑移系統中的微滑移成為主要的塑性變形模式。

圖3 顯示UA和PA合金韌性韌窩的高放大斷口。

圖4 UA和PA合金的初始微觀結構。（A）和（B）UA和PA合金的反極圖（IPF）圖，分別顯示所有合金完全再結晶，沒有優先織構。（C）和（D）兩種合金晶界附近的近景。在PA合金（D）中觀察到少量晶界L21顆粒，如插圖所示的選區衍射圖證實了這一點。

圖5 UA和PA合金的微觀結構和化學分布。（A） （B）暗場TEM圖像顯示，在FCC基體中均勻分布著具有不同沉淀尺寸的L12納米沉淀的高密度。（C） 和（D）UA和PA合金的統計沉淀直徑直方圖。（E） APT針的3D重建，其中只有Ti原子顯示為藍色，沉淀的輪廓用8 at.%突出顯示鈦等值面。（F） 通過相界的典型化學剖面定量顯示了PA合金中單個元素的分配行為。

對于小顆粒，在剪切過程中，前導位錯和尾隨位錯可能位于分離的顆粒中，這被稱為弱對耦合情況。相比之下，當粒子變大時，成對位錯將在單個粒子內移動，從而導致塑性變形期間的強對耦合行為。

圖6 UA和PA合金拉伸變形時位錯亞結構的演化。（A） （B）UA和PA合金在約5%真實應變下的變形微觀結構。（C） 和（D）在約18%的真實應變下。（E） PA合金變形過程中激活的多個微帶約32%塑性真實應變。（F） 示意圖顯示了在相同應變水平下變形的UA和PA合金中位錯累積的情況

圖7 PA合金在約18%真實應變下形成微帶結構。（A） 變形PA合金的IPF圖。（B） 樣本的均為局部取向差（KAM）映射。（C） 位錯子結構沿（B）中白色箭頭的錯向輪廓。

圖8在約18%的真實塑性應變下，PA合金中微帶邊界附近的變形誘導相變。（A） （C）高分辨率TEM圖像和每個相的相關活衍射點，顯示了微帶邊界附近高應力集中導致的BCC相的存在。（B） （D）變形PA合金中FCC型和BCC相之間觀察到的兩種取向關系示意圖。

圖9 UA和PA合金的應力分配行為。（A） UA和PA合金的加載-卸載-再加載（LUR）試驗。（B） LUR試驗中磁滯回線的放大圖。（C） 有效應力和背應力隨真實應變的變化而變化。（D） 有效應力和背應力之間的差異，表明PA合金中的變形行為更協調。

微帶的動態形成將增強微帶壁和相鄰微帶內部之間的塑性變形兼容性，進而有助于抑制塑性不穩定性（即早期局部頸縮）使PA合金具有更大的拉伸延展性。

圖10 PA合金中應變硬化行為和相關微觀結構演變的示意圖。結果表明，沉淀硬化HEA中微帶的動態細化是獨特的多階段應變硬化行為的關鍵，這是通過巧妙地調節沉淀尺寸、體積分數以及材料的SFE實現的。（圖中藍色條帶為平面滑動痕跡，綠色條帶為微條帶）

基于上述討論，可以得出結論，在變形機制從弱對耦合轉變為強對耦合的范圍內，大量納米沉淀物的粒徑在該范圍內，中高SFE在激活多重微裂紋和相關的高強度延性方面起著關鍵作用。

在這項工作中，發現在具有中高SFE的峰值高熵合金中存在異常的沉淀尺寸相關塑性。研究結果表明，析出相的尺寸、體積分數以及SFE對微裂紋的激活和有趣的多階段應變硬化行為都至關重要，這是克服強度-塑性沖突和塑性失穩的關鍵。具體而言，相對較大的納米沉淀的高體積分數有助于位錯在初級滑移系統中累積，這與中高SFE效應同時發生，使明顯的交叉滑移，促進變形過程中微帶的形成。由此產生的微帶及其隨后的細化導致動態應力分散和應變硬化，從而同時提高強度和延展性。這項工作為設計具有巨大應用潛力的高性能納米沉淀強化材料提供了一種新穎可行的方法。