引言

近年來，高熵合金因其作為高性能結構材料的潛在應用而備受關注。FCC（面心立方）結構的高熵合金具有較好的塑性和低溫斷裂韌性，是目前廣為研究的合金之一。然而，此類合金的室溫強度相對較低（鑄態下大約只有 200MPa），遠低于金屬結構材料所要求的強度。低強度這一缺點，阻礙了其作為一種實用型結構材料的應用。傳統的金屬強化機制，如細晶強化，析出強化等，可以提高合金強度，但同時降低了其塑性。近期，研究人員發現，間隙原子強化可以為改善機械性能提供另一種途徑。因此，本文選擇 FCC 結構的孿晶誘導塑性（TWIP）高熵合金作為起始材料，在此基礎上添加碳組分，對其機械性能進行系統的研究。

成果簡介

最近，西安交通大學的江峰教授（通訊作者）等人在Mater.Sci.Eng.A 上 發 表 題 為“Heavy carbon alloyed FCC-structured high entropy alloy with excellent combinationof strength and ductility” 的 文 章。 研 究 團 隊 對 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.%）的鑄態高熵合金進行研究。結果表明，高含量的間隙碳原子通過抑制位錯運動以及促進形變誘導孿晶過程，能夠顯著合金的強度和韌性。

圖文導讀

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） 碳含量對高熵合金晶格常數的影響

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，插圖對應高倍率下的形貌（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 高熵合金的機械性能

圖3：工程應力應變曲線及其分析

（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力應變曲線（b） 屈服強度、抗拉強度、硬度以及斷裂延伸率與碳含量的關系（c） 初始樣和 C0、C3、C4 三個拉伸斷裂樣品的形狀比較（d）C0、C2.2、C3.3、C4.4 樣品的應變強化率隨應變的變化曲線

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）中的黑色點線表示斷裂表面的輪廓，每個樣品的截面收縮率（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%真實應變后變形孿晶的表征

（a） 透射電子顯微鏡 （TEM） 下的暗場像（b） 對應于圖 （a） 的選區衍射花樣

圖7：鑄態和固溶態C3.3高熵合金的工程應力應變曲線及微觀組織分析

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

圖8：高碳高熵合金和各種鋼的斷裂伸長率及極限抗拉強度的比較

小結

本文系統研究了碳對 Fe 40 Mn 40 Co 10 Cr 10 高熵合金微觀組織和機械性能的影響。高碳合金（大約 3.3at.%）在提高屈服強度的同時也提高了極限抗拉強度以及塑性。這是因為間隙碳原子能夠抑制位錯運動并促進高熵合金中的變形誘發孿晶的發生。鑄態和固溶態的 （Fe 40 Mn 40 Co 10 Cr 10 ） 96.7 C 3.3 高熵合金的綜合機械性能優于大多數的高熵合金和金屬材料。此研究為開發高性能高熵合金提供了新的思路。

文獻鏈接：

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 ）