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日本東北大學《Scripta》利用層錯能的溫度依賴性提高孿晶誘導塑性高熵合金的屈服強度！

2022-04-21 16:43:51 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：近等原子單相孿晶誘導塑性（TWIP）高熵合金（HEA）表現出強度和延展性的良好結合，但其適度的屈服強度需要進一步提高。本文提出了一種策略，利用層錯能的溫度依賴性，在保持令人滿意的延展性的同時顯著提高它們的強度。低溫預變形引起的位錯、馬氏體、納米孿晶和堆垛層錯提高了代表性 TWIP HEA 的室溫強度。拉伸性能通過隨后的退火進一步調整以獲得部分恢復或再結晶的微觀結構。HEA 的室溫拉伸屈服強度從 275 MPa 增加到 1012 MPa，同時保持 21.9% 的伸長率。這項研究提出了通過調整子結構來制造高級 HEA 的可能性。

傳統合金，如鋼、鋁合金和鎂合金，通常使用含有少量其他元素的主體金屬來設計，以優化它們的機械性能。相比之下，最近開發的高熵合金（HEA）包含多種主要金屬元素。CoCrFeMnNi 和 CoCrFeNi HEAs 的 SFE在室溫下測量為 27–30 mJ/m 2，其中機械孿晶在塑性變形過程中發生在 HEA 中，并且隨著 SFE 的進一步降低，孿晶變得更優選。此外，當 SFE 變得極低時，會發生FCC → 六方密排（HCP）應變誘導馬氏體轉變（SIMT）。

日本東北大學材料研究所成功地通過預低溫變形來調節FCC 單相TWIP HEA的室溫拉伸性能，以引入缺陷并隨后在高溫（773-973 K）下退火以進一步調整微觀結構。Co 35 Cr 25 Fe 20 Ni 20合金是在高純氬氣氣氛中通過高頻感應熔煉和鑄造生產的。鑄態鋼錠在 1473 K 下均質化 12 小時，然后水淬至 298 K。然后，在 1473 K 下軋制至 50% 的厚度壓下率，并在 298 下冷軋至 40% 的厚度壓下率K. 隨后，板材在 1173 K 下退火 30 分鐘，其中晶粒靜態再結晶，如圖1a 所示。平均晶粒尺寸為 21.7 μm（表示為），沒有觀察到明顯的紋理。然后，將退火板冷卻至 77 K 并冷凍軋制至厚度減少 10%、20% 和 30%，以下分別表示為 10% CR、20% CR 和 30% CR 樣品。對于 CR，樣品夾在兩塊鋼板之間并浸入液氮中5分鐘，然后立即滾動。這有助于降低溫升。每道次將樣品軋制約 5% 的厚度。

FCC → HCP 應變誘導在低溫下發生轉變，這在室溫環境溫度下尚未觀察到。此外，HCP→FCC熱活化在高溫下發生轉變。這些結果表明 HEA 的相穩定性、SFE和可塑性行為與溫度有關。低溫變形引起的位錯和隨后的部分再結晶有助于提高屈服強度，這是定量估計的。此外，HCP 馬氏體、孿晶和堆垛層錯也對強度有貢獻。通過熱處理可以進一步調整強化效果。屈服強度從 275 MPa（軋制前）增加到 1012 MPa（20%）和 1189 MPa（30%），同時保持 12.5 和 21.9% 的伸長率。在 873 K 退火 1 h 后，屈服強度和伸長率分別為 826.9 MPa 和 42.6%。本研究通過調節低溫預變形引起的缺陷，揭示了一種有效的高性能單相 HEA 制造方法。相關研究成果以題“Regulation of strength and ductility of single-phase twinning-induced plasticity high-entropy alloys”發表在國際著名期刊Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646222002354#fig0001

圖1c 顯示了CR 前、CR 后（10%、20%、30%）和 HT 后（HT1、HT2、HT3）樣品的ND曲線，表明了沿軋制方向的顯微組織。HEA的晶格參數為3.5637 ?。樣品在 CR 之前為 FCC 單相，但在 CR 之后形成了 HCP 相，表明發生了 FCC → HCP SIMT。然而，在室溫下變形過程中不會發生 SIMT。圖2c 顯示了 HCP 相的體積分數（vol.%），在 30% CR 樣品中達到了 39.3 vol.% 的值，但在 773 K 退火 1 h 后降至 31.3%。在 HT1 樣品中，HCP 相部分轉化為 FCC 相。然而，在HT2和HT3樣品中沒有檢測到HCP相，表明HCP→FCC轉化完成。圖 2 d 顯示了維氏硬度。 CR前試樣的硬度為162 HV，CR后分別增加到284.9 HV（10%）、390.5 HV（20%）和420.7 HV（30%）。

圖 1。（a） EBSD反極圖（IPF）圖顯示了CR 之前Co 35 Cr 25 Fe 20 Ni 20 HEA的晶粒形態。（b） ND測量的說明。（c） CR 之前、CR 之后和 HT 之后樣品的 ND 曲線。CR的應變分別為10%、20%和30%。HT 溫度為 773 K （HT1）、873 K （HT2）和 973 K （HT3）。

圖 2。（a）堆垛層錯概率（P SF ），（b）位錯密度，（c） HCP 相的體積分數，和（d） Co 35 Cr 25 Fe 20 Ni 20 HEA在 CR 之后的維氏硬度，以及隨后的 HT 773 K 1 小時（HT1）、873 K 1 小時（HT2）和 973 K 1 小時（HT3）。

圖 3a顯示了10% CR 樣品（圖 3a）、10% CR + HT2 樣品（圖3b）和 10% CR + HT3 樣品（圖 3 c）。在圖 3a中觀察到高密度的非常薄的 HCP-馬氏體。HCP 階段遵循與 FCC 矩陣的方向關系，描述為 {111} FCC // （0001） HCP , <110> FCC // [110] HCP 。取向關系與鈷基合金和HEA中的取向關系一致。除了 HCP-馬氏體，樣品中還形成了SFs 。

圖 3。Co 35 Cr 25 Fe 20 Ni 20 HEA （a）在 10% CR 后的 TEM 明場圖像和選區衍射圖，以及（b） 873 K 1 小時和（c） 973 K 1 小時的 HT .

圖 4a -c 顯示了 CR（圖4a）、HT2 和 HT3 樣品（圖4b）的室溫拉伸性能，以及它們的比較（圖4c）。還插入了 CR 之前樣品的拉伸性能作為參考，其中屈服強度和極限拉伸強度（UTS）因 CR 顯著升高；屈服強度從 275.5 MPa（CR 前）增加到 642.9 MPa（10% CR）、1012.1 MPa（20% CR）和 1189.6 MPa（30% CR）。