導(dǎo)讀：抑制納米結(jié)構(gòu)頂層的早期應(yīng)變局部化對(duì)于在梯度結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)更好的拉伸延展性至關(guān)重要。研究者通過(guò)表面機(jī)械磨損處理和時(shí)效，設(shè)計(jì)了具有沿深度的晶粒尺寸和析出物體積分?jǐn)?shù)的組合梯度分布結(jié)構(gòu)，并將其引入到了高熵合金中。與僅具有晶粒尺寸梯度的相應(yīng)結(jié)構(gòu)相比，在具有組合梯度的結(jié)構(gòu)中觀察到屈服強(qiáng)度和均勻伸長(zhǎng)率同時(shí)得到改善。觀察到在具有組合梯度的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了更嚴(yán)重的應(yīng)變梯度和更高密度的幾何必要位錯(cuò)，導(dǎo)致更強(qiáng)的異質(zhì)變形誘導(dǎo) (HDI) 額外硬化，從而獲得更好的拉伸性能。

高熵合金 (HEAs)和中熵合金 (MEA)定義為由多種主要元素組成的具有相等或幾乎相等摩爾分?jǐn)?shù)的合金，由于它們非凡的拉伸性能而引起了廣泛關(guān)注。例如，F(xiàn)CC 單相 HEA和 MEA通常在室溫下表現(xiàn)出較高的延展性和斷裂韌性，在低溫下甚至表現(xiàn)出更好的拉伸性能和損傷容限，這可以歸因于主要變形機(jī)制從位錯(cuò)滑移到變形孿晶的轉(zhuǎn)變?nèi)欢哂写志Я?(CG) 的 FCC HEA 和 MEA 相對(duì)較低的屈服強(qiáng)度會(huì)限制它們的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。通過(guò)嚴(yán)重的塑性變形進(jìn)行冷加工或晶粒細(xì)化可以顯著提高金屬和合金的屈服強(qiáng)度，而均勻結(jié)構(gòu)中這種提高的屈服強(qiáng)度通常伴隨著延展性的損失，并且對(duì)于大多數(shù) HEA 和 MEA來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)合金的持久強(qiáng)度-延展性悖論仍然存在。

最近有報(bào)道稱可以通過(guò)梯度結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和延展性的卓越協(xié)同作用，并且可以解決強(qiáng)度-延展性權(quán)衡的問(wèn)題。由于不同深度的層的機(jī)械性能顯著不同，可以在不同深度的不同層之間引起應(yīng)變分配和應(yīng)力轉(zhuǎn)移，這會(huì)產(chǎn)生異質(zhì)變形誘導(dǎo) (HDI) 硬化以獲得更好的拉伸性能。沉淀強(qiáng)化/硬化也可以被認(rèn)為是獲得優(yōu)異拉伸性能和解決金屬和合金中強(qiáng)度-延展性權(quán)衡的一種有效策略，尤其在當(dāng)析出物是納米級(jí)的并且與基體結(jié)合時(shí)。

一般來(lái)說(shuō)，梯度結(jié)構(gòu)中的納米結(jié)構(gòu)頂層具有較高的塑性不穩(wěn)定性傾向，因此需要一定的機(jī)制來(lái)保持頂層的均勻變形。受到梯度晶粒結(jié)構(gòu)和納米沉淀的好處的啟發(fā)，可以通過(guò)在 HEA 和 MEA 中設(shè)計(jì)具有組合梯度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的拉伸性能。設(shè)計(jì)中，較高體積分?jǐn)?shù)的納米沉淀物可能會(huì)在最頂層提供更強(qiáng)的沉淀硬化，這可以補(bǔ)償由于最頂層晶粒尺寸減小而導(dǎo)致的應(yīng)變硬化減少，并防止最頂層的早期塑性變形局部化，使其在具有組合梯度的結(jié)構(gòu)中具有更好的拉伸延展性。

在本研究中，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所Fuping Yuan教授等人利用 SMAT 和熱處理在 Al 0.5 Cr 0.9 FeNi 2.5 V 0.2 HEA 中構(gòu)建和制造了具有單梯度和組合梯度的結(jié)構(gòu),研究并揭示了拉伸性能和相應(yīng)的變形機(jī)制，觀察到 L12 的剪切和彎曲硬化機(jī)制及 B2 分別沉淀。頂層 B2 和 L1 2相的較高體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)致了更強(qiáng)的沉淀硬化，這補(bǔ)償了由于頂層晶粒尺寸減小而導(dǎo)致的應(yīng)變硬化減弱，從而在具有組合梯度的結(jié)構(gòu)中獲得更好的拉伸延展性。基于位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和 HDI 強(qiáng)化機(jī)制討論了在組合梯度結(jié)構(gòu)中觀察到的較高屈服強(qiáng)度。相關(guān)研究成果以題為“Designing structures with combined gradients of grain size and precipitation in high entropy alloys for simultaneous improvement of strength and ductility”發(fā)表在材料學(xué)頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117847

摘要

在短時(shí)間退火和時(shí)效后，觀察到析出物的晶粒尺寸（高角和低角GBs）和體積分?jǐn)?shù)（L1 2和B2）沿深度呈梯度分布，形成具有更嚴(yán)重的非均質(zhì)性的組合梯度結(jié)構(gòu). 與具有單一梯度的相應(yīng)結(jié)構(gòu)相比，具有組合梯度的結(jié)構(gòu)具有更高的屈服強(qiáng)度和更大的均勻伸長(zhǎng)率。

圖 1. 經(jīng) SMAT 處理的樣品的典型梯度微觀結(jié)構(gòu)

圖 2. SMAT老化樣品的具有組合梯度的微觀結(jié)構(gòu)

圖 3。(a) 典型 As-SMATed 和 SMAT-Aged 樣品的最頂層和中心層的 XRD 光譜。(b) FCC 相和L1 2相的重疊(311) 不對(duì)稱峰和相應(yīng)的高斯函數(shù)擬合。用于表征 SMAT 老化樣品的 FCC 矩陣中 L1 2相的尺寸和相對(duì)體積分?jǐn)?shù)的明場(chǎng) (c,d) 和暗場(chǎng) TEM (e,f) 圖像：(c,e) 在最頂層；（d，f）在核心層。

分別觀察到 L1 2和 B2 析出物的彎曲硬化和剪切硬化機(jī)制。L1 2和B2 納米析出物的間距在幾十或幾百納米，通過(guò)在相界面積累位錯(cuò)對(duì)沉淀強(qiáng)化/硬化非常有效。

圖 4。(a) B2 粒子區(qū)域的 EDS 映射。（b）沿（a）中標(biāo)記線的元素分布。(c) 具有 L1 2納米沉淀物的 FCC 矩陣的 EDS 映射。（ d ）沿插圖中標(biāo)記線的元素分布。

為了說(shuō)明缺陷梯度（SMAT 處理樣品）和組合梯度（SMAT 老化樣品）對(duì)拉伸性能（與退火樣品相比）的影響，已經(jīng)進(jìn)行了一系列拉伸試驗(yàn)和典型樣品上相應(yīng)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖 5a 所示。應(yīng)變硬化率 Θ 和真實(shí)應(yīng)力被繪制為圖 5中這些樣品的真實(shí)應(yīng)變的函數(shù)灣。在 SMAT 之后，與退火樣品的約 340 MPa 相比，屈服強(qiáng)度提高到約 890 MPa，而均勻伸長(zhǎng)率從退火樣品的約 43% 降低到約 10%。盡管經(jīng)過(guò) SMAT 處理的樣品顯示出良好的強(qiáng)度和延展性協(xié)同作用，但仍以犧牲延展性為代價(jià)獲得了高屈服強(qiáng)度。值得注意的是，與經(jīng)過(guò) SMAT 處理的樣品（約 890 MPa，10%）相比，經(jīng)過(guò) SMAT 處理的樣品同時(shí)提高了強(qiáng)度（約 960 MPa）和延展性（約 16%）。此外，與 SMAT 老化樣品相比，SMAT 老化樣品中的應(yīng)變硬化能力也被觀察到要高得多。對(duì)于 SMAT 老化的樣品，也觀察到了硬化速率的瞬態(tài)上升現(xiàn)象。

圖 5. 各種樣品的拉伸性能

圖 6. (a) 退火樣品、SMAT 處理樣品和 SMAT 老化樣品在拉伸變形前后沿深度的顯微硬度分布。(b) 所有三個(gè)樣品在拉伸變形后的硬度增量分布。

圖 7.用于 SMATed 和 SMAT-Aged 樣品的 HDI 硬化。

圖 8。對(duì) SMAT 老化樣品進(jìn)行拉伸測(cè)試后的 TEM 和 HRTEM 觀察結(jié)果。

在具有組合梯度的結(jié)構(gòu)中觀察到的較高屈服強(qiáng)度可歸因于沉淀強(qiáng)化和 HDI 強(qiáng)化的較高貢獻(xiàn)，這壓倒了位錯(cuò)強(qiáng)化的較小貢獻(xiàn)。具有組合梯度的結(jié)構(gòu)中更好的均勻伸長(zhǎng)率可能是由于熱處理后保留的位錯(cuò)密度較低，HDI硬化和沉淀硬化較高。目前的結(jié)果應(yīng)該為通過(guò)部署具有組合梯度的結(jié)構(gòu)在 HEA 中實(shí)現(xiàn)非凡的拉伸性能提供見(jiàn)解。