前言

高熵合金（High-entropy alloys，簡稱HEAs），通常由五種（或以上）等原子比或相近等原子比的金屬元素混合制成的新型合金。由于這種合金在設(shè)計具有優(yōu)異機(jī)械、物理和化學(xué)性能的新材料方面具有很大潛力，目前在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，和傳統(tǒng)合金一樣，高熵合金也存在一個關(guān)鍵的缺點(diǎn)：合金的強(qiáng)度越高，其延展性和韌性越小。

為解決強(qiáng)度和塑性之間的矛盾，近年來，通過設(shè)計復(fù)雜的工藝條件，在合金材料內(nèi)部引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)和強(qiáng)度和塑性的相互矛盾，提高材料的綜合機(jī)械性能成為結(jié)構(gòu)金屬材料的研究熱點(diǎn)。更進(jìn)一步，如何通過簡單而且適用性較廣的工藝路線，在合金材料內(nèi)部引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)來優(yōu)化高熵合金的綜合機(jī)械性能？成為了高熵合金作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用而亟需解決的關(guān)鍵問題。

圖文簡介

本研究采用室溫冷軋然后中溫退火（600℃）的工藝方法，成功制備了具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高熵合金（異質(zhì)高熵合金）。其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

(a) 背散射電子圖。

(b-g)三種晶粒的透射電鏡圖。

圖1：異質(zhì)高熵合金的顯微組織

很明顯，600 ℃退火后的冷軋高熵合金形成了異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)由三種晶粒組成：拉長型晶粒（NR1），部分再結(jié)晶晶粒（NR2）和再結(jié)晶晶粒（R）。體積分?jǐn)?shù)比（NR1:NR2:R）為10:37:53。當(dāng)引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)以后，顯著改善了強(qiáng)度-塑性綜合力學(xué)性能，其中屈服強(qiáng)度比完全再結(jié)晶組織提高了 1倍，同時延伸率保持了 71.5%。力學(xué)性能如圖 2 所示。這就引發(fā)了我們的思考：為什么異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠強(qiáng)化材料的同時還賦予了材料優(yōu)異的加工硬化能力呢？

圖2：異質(zhì)高熵合金的拉伸力學(xué)性能

通過加載 - 卸載 - 再加載，掃描電鏡下的原位拉伸和透射電子顯微鏡測試，本研究系統(tǒng)地闡述了異質(zhì)高熵合金在不同應(yīng)變階段的加工硬化機(jī)制與異質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)高熵合金高的屈服強(qiáng)度源自內(nèi)部巨大的背應(yīng)力，優(yōu)異的加工硬化能力則是由于塑性變形激發(fā)了多種加工硬化機(jī)制，如背應(yīng)力強(qiáng)化，孿晶強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化。

當(dāng)應(yīng)變很低時，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的背應(yīng)力隨應(yīng)變增大而增大使材料強(qiáng)化，如圖 3 所示。

圖3：異質(zhì)高熵合金的包申格效應(yīng)，有效應(yīng)力（σeff）和背應(yīng)力（σb）

繼續(xù)增加應(yīng)變先后激發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非再結(jié)晶晶粒和再結(jié)晶晶粒孿晶變形，同時增加強(qiáng)度和塑性，如圖 4 所示。

圖4：異質(zhì)高熵合金在不同應(yīng)變下形變孿晶的透射電鏡圖

（a）5.6% 應(yīng)變下非再結(jié)晶晶粒內(nèi)的形變孿晶。（b）13.6%應(yīng)變下的形變孿晶。17.7%應(yīng)變下（c）非再結(jié)晶晶粒，和（d）再結(jié)晶晶粒內(nèi)的形變孿晶。

當(dāng)應(yīng)變較高時，如圖 5 所示，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的位錯密度隨應(yīng)變增加而增大，位錯強(qiáng)化使合金的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

圖5：應(yīng)變17.7%時異質(zhì)高熵合金 (a-b) 非再結(jié)晶晶粒，和 (c-d) 再結(jié)晶晶粒的位錯密度

研究為設(shè)計制造高強(qiáng)高韌高熵合金提供了一種簡便且可工業(yè)化推廣的途徑，并且系統(tǒng)揭示了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌化機(jī)理。

注：上述研究發(fā)表于Acta Materialia 165：444-458（2019），

原文鏈接地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645418309546#undfig1 或 DOI:10.1016/j.actamat.2018.12.012