引言

近年來(lái)，高熵合金因其作為高性能結(jié)構(gòu)材料的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。FCC（面心立方）結(jié)構(gòu)的高熵合金具有較好的塑性和低溫?cái)嗔秧g性，是目前廣為研究的合金之一。然而，此類(lèi)合金的室溫強(qiáng)度相對(duì)較低（鑄態(tài)下大約只有 200MPa），遠(yuǎn)低于金屬結(jié)構(gòu)材料所要求的強(qiáng)度。低強(qiáng)度這一缺點(diǎn)，阻礙了其作為一種實(shí)用型結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。傳統(tǒng)的金屬?gòu)?qiáng)化機(jī)制，如細(xì)晶強(qiáng)化，析出強(qiáng)化等，可以提高合金強(qiáng)度，但同時(shí)降低了其塑性。近期，研究人員發(fā)現(xiàn)，間隙原子強(qiáng)化可以為改善機(jī)械性能提供另一種途徑。因此，本文選擇 FCC 結(jié)構(gòu)的孿晶誘導(dǎo)塑性（TWIP）高熵合金作為起始材料，在此基礎(chǔ)上添加碳組分，對(duì)其機(jī)械性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

成果簡(jiǎn)介

最近，西安交通大學(xué)的江峰教授（通訊作者）等人在Mater.Sci.Eng.A 上 發(fā) 表 題 為“Heavy carbon alloyed FCC-structured high entropy alloy with excellent combinationof strength and ductility” 的 文 章。 研 究 團(tuán) 隊(duì) 對(duì) 成 分 為（Fe 40 Mn 40 Co 10 Cr 10 ） 100- xC x （x=0,2.2,3.3,4.4,6.6and 8.9at.%）的鑄態(tài)高熵合金進(jìn)行研究。結(jié)果表明，高含量的間隙碳原子通過(guò)抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以及促進(jìn)形變誘導(dǎo)孿晶過(guò)程，能夠顯著合金的強(qiáng)度和韌性。

圖文導(dǎo)讀

圖1：不同碳含量的Fe 40 Mn 40 Co 10 Cr 10 高熵合金的X射線衍射圖

（a） 不同碳含量的 XRD 圖譜，均為 FCC 單相（b） 碳含量對(duì)高熵合金晶格常數(shù)的影響

圖2：Fe 40 Mn 40 Co 10 Cr 10 高熵合金的顯微形貌

（a） 不同碳含量的 Fe 40 Mn 40 Co 10 Cr 10 高熵合金的背散射圖，插圖對(duì)應(yīng)高倍率下的形貌（b） C6.6 和 C8.9 高熵合金中碳化物的 EDS 能譜

表1：不同碳含量的Fe 40 Mn 40 Co 10 Cr 10 高熵合金的機(jī)械性能

圖3：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線及其分析

（a） 不同碳含量的 Fe 40 Mn 40 Co 10 Cr 10 高熵合金的典型工程應(yīng)力應(yīng)變曲線（b） 屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度以及斷裂延伸率與碳含量的關(guān)系（c） 初始樣和 C0、C3、C4 三個(gè)拉伸斷裂樣品的形狀比較（d）C0、C2.2、C3.3、C4.4 樣品的應(yīng)變強(qiáng)化率隨應(yīng)變的變化曲線

圖4：不同碳含量Fe 40 Mn 40 Co 10 Cr 10 高熵合金的斷口形貌

（a）、（b） 分別是 C0 高熵合金的斷口表面形貌的低倍圖和高倍圖（c）、（d） 分別是 C3.3 高熵合金的斷口表面形貌的低倍圖和高倍圖（e）、（f） 分別是 C4.4 高熵合金的斷口表面形貌的低倍圖和高倍圖（g）、（h） 分別是 C8.9 高熵合金的斷口表面形貌的低倍圖和高倍圖圖（a）、（c）、（e）、（g）中的黑色點(diǎn)線表示斷裂表面的輪廓，每個(gè)樣品的截面收縮率（RA）和斷裂延伸率也列在圖中

圖5：高熵合金斷裂截面附近的物相及顯微組織分析

XRD 圖譜、EBSD 相分布圖以及反極圖 （IPF） 顯示了 C0 高熵合金 （a） 和 C3.3 高熵合金 （b） 斷裂后截面附近的微觀組織。

圖6：C3.3高熵合金20%真實(shí)應(yīng)變后變形孿晶的表征

（a） 透射電子顯微鏡 （TEM） 下的暗場(chǎng)像（b） 對(duì)應(yīng)于圖 （a） 的選區(qū)衍射花樣

圖7：鑄態(tài)和固溶態(tài)C3.3高熵合金的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線及微觀組織分析

（a） 鑄態(tài)和固溶態(tài) （re-processed）C3.3 高熵合金以及鑄態(tài)C0 高熵合金的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線（b） 固溶態(tài) C3.3 合金的背散射圖和 EDS 能譜紅色方塊表示鑄態(tài)和固溶態(tài) C3.3 高熵合金的機(jī)械性能

圖8：高碳高熵合金和各種鋼的斷裂伸長(zhǎng)率及極限抗拉強(qiáng)度的比較

小結(jié)

本文系統(tǒng)研究了碳對(duì) Fe 40 Mn 40 Co 10 Cr 10 高熵合金微觀組織和機(jī)械性能的影響。高碳合金（大約 3.3at.%）在提高屈服強(qiáng)度的同時(shí)也提高了極限抗拉強(qiáng)度以及塑性。這是因?yàn)殚g隙碳原子能夠抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并促進(jìn)高熵合金中的變形誘發(fā)孿晶的發(fā)生。鑄態(tài)和固溶態(tài)的 （Fe 40 Mn 40 Co 10 Cr 10 ） 96.7 C 3.3 高熵合金的綜合機(jī)械性能優(yōu)于大多數(shù)的高熵合金和金屬材料。此研究為開(kāi)發(fā)高性能高熵合金提供了新的思路。

文獻(xiàn)鏈接：

Heavy carbon alloyed FCC-structured high entropy alloy with excellentcombination of strength and ductility （Mater. Sci. Eng. A, 2018, DOI: 10.1016/j.msea.2018.01.045 ）