導讀：在高溫下具有高耐磨性的合金在現代極端工作條件下的應用是非常需要的。傳統的納米層狀珠光體結構可以大大提高鋼的強度和耐磨性，但不具有耐熱性。因此，制備一種新的耐高溫珠光體結構是很有前途的。本文通過經典的共析反應將珠光體結構從單主元素鐵合金繼承為一種新開發的多主元素合金(MPEA)，從而活化珠光體結構，產生納米大小的層狀組織。利用MPEAs的熱穩定性，形成強珠光體，不僅顯著提高了MPEA的室溫耐磨性，更重要的是，它使MPEA具有優異的高溫強度和耐磨性。因此，珠光體結構是高性能MPEA在微結構設計中值得追求的方向。

鋼中的珠光體結構是在100多年前由索比發現的。鋼珠光體是由鐵素體和硬滲碳體組成的納米級片層結構，在滑動磨損過程中能夠塑性變形并使鐵素體和滲碳體片層向應變方向重新排列。這種再取向增加了接觸中硬滲碳體的面積分數，從而導致珠光體組織具有較高的耐磨性，因此珠光體鋼通常具有高強度和良好耐磨性的結合，在鋼軌上有廣泛的應用。然而，在鋼中，由于碳原子在形成珠光體中起著重要的作用，但它們在高溫下擴散非常快，因此當溫度升高時，滲碳體相會粗化和球化，甚至變得不穩定，導致分解。因此，珠光體鋼不能滿足在高溫下工作的耐磨部件的要求。保持如此堅固的層狀結構在高溫下仍然穩定是值得探索的。

1995年提出的多主元合金具有獨特的緩慢擴散特性，其晶格勢能波動較大，導致了較強的阱效應，因而擴散速率較低。緩慢的擴散效應使MPEAs具有顯著的高溫結構穩定性。除了熱穩定性外，MPEAs還具有另一個共同特征，即嚴重的晶格畸變，從而提高了強度。因此，MPEAs在高溫下可以相當堅固和抗軟化。如果在MPEAs中可以形成層狀結構，由于緩慢的擴散效應，它們應該比鋼珠光體更具有熱穩定性。幾個研究小組一直在研究由相變形成的MPEAs中的層狀結構，并成功地通過共晶轉變形成了具有非常有趣的力學性能的共晶層狀結構。然而，共晶層狀結構是在高溫下由液體形成的，因此層狀結構相當粗糙(通常有幾百納米厚)。因此，在較低的溫度下制備層狀結構可以得到更細的尺度間距，珠光體和不連續析出相就是兩個例子。Banerjee團隊的工作中發現了更精細的層狀結構。但它是由界面后面面心立方(FCC)和體心立方(BCC)片層的不連續沉淀再分解(即沉淀，然后再沉淀)，還是通過共析分解反應形成的，目前還不十分清楚。此外，高溫力學性能也未被發現。

在本研究中，來自東南大學材料科學與工程系和常州大學材料科學與工程學院科研人員證明了通過經典的共析反應形成的珠光體結構(A→B+C)，旨在將該結構應用于一些需要軟化和耐磨的高溫應用中，如瞬時溫度可達600℃的航空母艦攔阻電纜。本研究的重點在于珠光體的微觀組織及其在相變過程中的演變，珠光體對MPEAs硬度及其熱穩定性的影響，珠光體MPEAs在室溫和600℃以上的高溫下的磨損性能及其磨損機理。該研究為高溫耐磨MPEAs的設計提供了一種新的結構選擇。相關研究成果以題“A new strong pearlitic multi-principal element alloy to withstand wear at elevated temperatures”發表在Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422000866

在MPEA中設計了Fe44.5Co25.4Ni24.4Ti5.7的共析反應，在500 至 650℃范圍內的等溫熱處理過程中，由FCC轉變為BCC和Ni3Ti。片層狀珠光體組織首先在FCC晶界上成核，然后向內部晶粒生長直至完全占據，與常規鋼珠光體相比，由于取代元素擴散較慢，片層狀MPEA珠光體更細小。與鋼珠光體相似，MPEA珠光體的層間距也可以通過相變溫度來調節，相變溫度越高，層間距越大，相變溫度在500 ~ 650℃范圍內為26±4 ~ 59.5±13.3 nm。因此，珠光體含量和層間距對合金的硬度均有影響。因為在MPEAs緩慢擴散效果,珠光體展品良好的熱穩定性在500°C和550°C,盡管在長時間熱處理直到600 h過程中珠光體的硬度不斷減少，但是其下降率并不明顯。

圖1所示：利用Thermo-Calc軟件TCHEA4數據庫和XRD譜圖計算Fe44.5Co25.4Ni24.4Ti5.7 (Fe-26.3Co-25.2Ni-4.8Ti (wt.%))的相圖。(a)冷軋試樣的等長體，(b)相的摩爾分數隨溫度的變化，(c)冷軋試樣的XRD譜。

圖2所示：在500℃時掃描電鏡圖像顯示珠光體的演化。(a) 500°C 10min， (b) 500°C 3h 20min， (c, d) 500C 14h。

圖3所示：經過14 h的相變處理，在500℃下形成的珠光體經SEM、TEM和STEM/EDS表征。(a) BCC和Ni3Ti薄片的SEM圖像，(b) HRTEM圖像，FFT圖分別如圖(c)和(d)所示，(e) TEM BF圖像，插入電子衍射圖(f)， (g, h) Ni和Ti的STEM/EDS元素映射，表明Ni-Ti富集。

圖4所示：在550℃、600℃和650℃時形成的珠光體的微觀結構特征。(a, e, i) SEM圖像，(b, f, j) TEM BF圖像，(c, g, k) Ni的STEM/EDS映射，(d, h, l) Ti的STEM/EDS映射。

圖5所示：MPEA珠光體的組織與磨損性能。(a)在不同溫度硬度、層間距和室溫磨損率的珠光體轉變,(b)在珠光體轉變于500°C期間硬度進化和磨損率改善MPEA, (C)在500, 550和600°C滑動條件下于500和650°C高溫磨損率的珠光體的形成,(d)在室溫、500、550、600℃滑動條件下，在500、650℃條件下珠光體的摩擦系數。

圖6所示：MPEA珠光體的熱穩定性研究。(a) 500℃和550℃時珠光體的硬度變化，(b) 500℃等溫保存14 h的MPEA珠光體的TEM BF圖像(峰值硬度)，以及(C) 500℃等溫保存300 h的MPEA珠光體的TEM BF圖像。

圖7所示：各種現有高速鋼和MPEA的磨損率，包括本工作中新開發的MPEA珠光體和軌道鋼(U75V)。

圖8所示：室溫和高溫磨損試驗后不同珠光體組織磨損軌跡的SEM表征。(a)在室溫條件下磨損的500℃珠光體，(b)在室溫條件下磨損的550℃珠光體，(C)在室溫條件下磨損的600℃珠光體，(d)在室溫條件下磨損的650℃珠光體，(e, f)在550℃條件下室溫磨損的650℃珠光體。

圖9所示：550℃滑動測試后650℃珠光體磨損軌跡下亞表面的SEM表征及亞表面演變示意圖。(a)掃描電鏡圖，(b)示意圖。

圖10所示：650°C MPEA珠光體在550°C磨損試驗條件下磨損亞表面的截面觀察。(a) STEM BF圖像，(b-h) Pt、O、Fe、Co、Ni、Ti和Al的EDS映射，(i)放大的氧化層STEM HAADF圖像，(j) 在圖像(j)中的黃色點狀區域的FFT模式(k) HRTEM氧化層圖像證實了Fe3O4的形成。(讀者可參考本文的網絡版，以解釋本圖例中有關顏色的參考資料。)

圖11所示：650°C珠光體在550°C磨損試驗條件下磨損亞表層II和III的橫斷面觀察。(a - c) HAADF干細胞圖像和EDS映射鎳和鈦(d、g) HAADF莖形象和EDS的映射Ni的再結晶區域,(e、h) HAADF干細胞圖像和EDS映射粗鎳的再結晶區域,(f、i) HAADF桿不受影響區域的圖像和EDS Ni的映射。

圖12所示：在550℃下進行磨損試驗后，在相同的熱歷史條件下，在兩個不同的位置進行磨損試驗，在650℃，珠光體截面發生轉變。(a)磨損軌道以下和(b)未受磨損表面以下。

圖13所示：在550℃拉伸試驗條件下，650℃溫度下形成MPEA珠光體的力學性能。(a)工程應力-應變曲線，(b)真實應力-應變曲線，(c) Kocks-Mecking圖。

圖14所示：動態再結晶層Ⅱ-a的TEM圖像。(a, b) TEM BF圖，(c) HRTEM圖，(d) FFT圖顯示的Ni3Ti晶粒。

MPEA珠光體的高硬度也使其在室溫和高溫下具有優異的耐磨性。在室溫下磨損率低至?2×10?5mm?3/Nm ，在高溫下(550和600℃)磨損率低于3×10?5mm?3/Nm。磨料磨損是室溫下的主要磨損機制，MPEA珠光體的磨損速率與硬度呈典型的負相關關系，符合Archard定律。氧化和分層磨損是高溫下的主要磨損機制，這是因為在磨損軌道上形成了致密的保護性氧化層，以及具有足夠熱強度和熱穩定性的高應變硬化納米晶粒。因此，MPEA珠光體結構是一種值得進一步研究和優化的具有應用前景的高性能合金結構。