近年來，由于優異的延展性、疲勞、斷裂韌性和抗氧化等性能，CoNi基面心立方(FCC)單相多主元合金(MPEA)引起了研究人員的大量關注。然而由于單相特性，FCC MPEA室溫下強度往往不足，限制了其廣泛應用。許多研究通過引入二次相和定制異質結構等方法提高CoNi基MPEAs的強度，但相之間或非均質結構之間的界面局部開裂可能導致如延展性和疲勞性能的犧牲。相比之下，溶質原子和晶界是兩種有效的介質，可以強化FCC MPEA而不犧牲太多的延性。

因此，來自Academy of Military Science的研究人員通過設計一種以難熔Mo和W合金化的Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金，最大限度提高了FCC MPEA的強塑性力學性能。通過密度泛函理論(DFT)計算和透射電子顯微鏡(TEM)，揭示了該合金優于其他FCC合金強度-塑性關系的深層次原因。相關成果以題為‘Achieving ultra-strong and ductile CoNi-based FCC multi-principal element alloys via alloying with refractory Mo and W’的論文發表在材料科學期刊Scripta Materialia上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116111

首先，通過Thermol-Calc模擬了合金平衡偽二元相圖，觀察了這一合金不同熱處理狀態下的顯微組織，如圖1所示。證明了合金在均勻化態以及900℃-1200℃退火狀態下具有均勻的晶粒組織與成分。

Fig. 1 Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金初始顯微組織：(a-d)合金經不同熱處理后的背散射電子顯微圖。(a)在1250℃下均勻化12 h，(b-d)分別在1200、1100和900℃下退火70 s。(e)平衡偽二元相圖。(f) 900℃退火合金的BF-TEM和(g) DF-TEM顯微圖以及相應的EDX圖。

接著，測試了不同熱處理狀態（不同晶粒尺寸）合金的室溫力學性能，并與其他MPEAs和TWIP鋼的屈服強度和延伸率進行對比，如圖2。發現與大多數已報道的MPEAs和常規合金相比，本文設計的Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金表現出突出的強度-塑性協同。

此外，Hall-Petch關系中較高的晶格摩擦應力(~197 MPa)和系數K(~1073 MPa·μm^1/2)表明該合金的超高屈服強度來源于其優異的固溶強化和晶界強化能力。

Fig. 2 Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金在室溫下的優異力學性能：(a)工程拉伸應力-應變曲線，(b)應變硬化率曲線，(c)與其他MPEAs和TWIP鋼相比拉伸伸長率與屈服強度的對比，以及(d)屈服應力與平均晶粒尺寸平方根倒數的關系。

其中，優異的固溶強化可以用難熔元素Mo、W加入后引起的高晶格畸變δ來解釋。比如該合金的δ約為6.35%，高于大多數報道的FCC合金，表明了添加難熔Mo、W可以顯著提高Ni基MPEA的晶格畸變和晶格摩擦應力，如圖3a和b所示。

另一方面，該合金超高的Hall-Petch系數K（晶界強化能力）也可歸因于高晶格畸變（晶格摩擦應力）（圖3c）。高摩擦應力阻礙了位錯的局部收縮，從而促進了位錯滑移的平面性，阻礙了位錯的交叉滑移。因此，位錯難以通過交叉滑移傳遞晶界，從而增強了該合金的晶界強化能力。

Fig. 3 (a) Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金的摩擦應力和(b) Hall-Petch系數隨(c) Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金與其他合金的原子尺寸差δ的變化曲線。

除晶格摩擦應力外，穩定和不穩定層錯能(ISEF/USFE)作為控制位錯滑移和位錯/晶界相互作用的關鍵因素，也可能是超高晶界強化的重要因素。利用DFT計算了合金的ISEF和USFE（圖5a），與其他Ni基MPEA比較發現添加Mo、W可以降低ISFE從而促進位錯平面滑移和晶界強化。此外，較高的USFE表明合金具有較高的晶界抗滑移臨界強度和晶界強化能力。

值得注意的是，W的加入顯著增加了晶格畸變的原子均方位移(MSAD)（圖5b），而MSAD的增加進一步歸因于晶格摩擦和USFE的增加。綜上所述，合金優異的晶界強化能力來源于高摩擦應力、低ISFE和高USFE的協同貢獻。

最后通過TEM觀察了合金的變形結構。位錯滑移是合金的主要變形載體，變形結構包括位錯的平面滑移帶。此外，在一些晶粒中還發現了擴展的層錯和變形孿晶。這些變形結構很好的反映出合金應變硬化行為和優異的強度-塑性協同作用。

Fig. 5 (a-f) Co44Ni44Mo9W3合金斷裂后的BF-TEM顯微圖：顯示出普遍的滑移痕跡，以及層錯和變形孿晶。(a-f)右上角的插圖是相應的SADPs。(d)左下角的插圖是HR-TEM顯微圖，顯示L-C位錯鎖。