一作專訪||北工大團隊金屬頂刊Acta Mater.：一箭雙雕！高熵合金強度、延展雙提升！

一、【導讀】

由于具有輕質、節省能源和結構增強的性質，高屈服強度和延展性的合金在人們生產生活中得到了廣泛的應用。高熵合金（HEA）作為一類金屬合金，其成分中具有摩爾比例大致相等的主元素。按照慣例，元素的最小數量被定義為五個。自從在CuCoNiCrAl_xFe和FeCrMnNiCo合金中發現了這一概念以來，在過去的二十年里已經發明了許多新的合金系統。因此，與傳統合金相比，許多高熵合金具有優越的機械性能，例如高極限強度、高斷裂韌性、高抗疲勞性、高彈性應變極限（~2%）和高溫下的機械性能。大多數高熵合金存在于兩種主要類型的晶體結構中，即體心立方（BCC）和面心立方（FCC）結構。然而，傳統合金仍然存在一個共同的挑戰：隨著強度的增加，延展性降低。一般情況下增加強度通常以犧牲延展性為代價，因此強度-延展性之間的權衡成為合金材料發展的重點。

二、【成果掠影】

在此，北京工業大學韓曉東教授和毛圣成研究員，澳大利亞西澳大學劉亦農教授（共同通訊作者）探索了一種在CoCrFeNiMn面心立方（FFC）高熵合金中使用非均勻晶粒尺寸結構和減少堆垛層錯能的策略，以克服強度-延展性這種權衡的局限性。因此，得益于多種機制的協同應變硬化，例如異質變形誘導（HDI）硬化，變形孿生，Frank-Read位錯源和Lomer-Cottrell位錯鎖，本文制備的合金實現了980 MPa的屈服強度，1385 MPa的抗拉強度和48%的拉伸失效伸長率，這些變形的微觀機制有助于通過原位細化位錯的平均自由程來硬化合金。

相關研究成果以“Inherent and multiple strain hardening imparting synergistic ultrahigh strength and ductility in a low stacking faulted heterogeneous high-entropy alloy”為題發表在Acta Materialia上。

三、【核心創新點】

1.本文為非均勻變形誘導硬化（HDI）創建一個雙峰晶粒異質組織，提高了強度，并通過精心的成分設計來降低堆垛層錯能（SFE），以促進變形孿晶的形成和活動，以獲得更好的延展性。

2.本文可以在不影響單相FCC HEA延展性的情況下進一步提高強度，為設計高性能高熵化合物提供了有用的信息。

四、【數據概覽】

圖1不同條件處理后Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈ HEA的微觀結構? 2023 Elsevier

（a）合金在不同處理條件下的XRD模式，包括均質、冷軋和退火；

（b）均質樣品的微觀結構圖；

（c）RA-730樣品的顯微結構；

（d）RA-780樣品的顯微結構；

（e）RA-780樣品高放大倍數下的顯微結構；

（f）與（d）對應的晶粒錯位角的分布；

（g）與（d）對應的核平均方向映射；

（h）RA-820樣品的顯微結構；

（i）與（h）對應的晶粒錯位角的分布。

圖2不同條件處理后Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金經不同處理后的微觀結構? 2023 Elsevier

（a）RA-780樣品的BF-STEM圖像;

（b）更高放大倍率下的BF-STEM圖像；

（c）變形晶粒的高分辨率HAADF-STEM圖像；

（d）小重結晶晶粒的TEM圖像；

（e）再結晶顆粒內部的HRTEM圖像；

（f）重結晶顆粒的DF-TEM圖像；

（g）均質樣品的TEM圖像；

（h）RA-730樣品的TEM圖像；

（i）RA-820樣品的TEM圖像；

圖3在不同熱試驗狀態下Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金的力學性能? 2023 Elsevier

（a）均質樣品和三個退火樣品的拉伸工程應力-應變曲線；

（b）對應的四個樣品的真實應力-應變曲線和應變-硬化速率曲線；

（c）分別在9.5%和34.6%真實應力下RA-780樣品的馮·米塞斯應力圖；

（d）RA-780樣品在拉伸破裂后的光學圖像；

（e）RA-780樣品破裂表面的SEM圖像。

圖4 Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金與其他合金的拉伸性能對比? 2023 Elsevier

（a）Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金與普通合金的屈服強度和拉伸伸長率的對比；

（b）Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金與普通合金的極限抗拉強度和抗拉伸長率的對比；

（c）Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金與普通的高熵合金的屈服強度和拉伸伸長率對比；

（d）Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金與普通的高熵合金的極限拉伸強度和拉伸伸長率對比。

圖5 RA-780樣品的HDI硬化? 2023 Elsevier

（a）RA-780樣品的應力應變曲線；

（b）重新加載的滯后回線；

（c）RA-780樣品的HDI應曲線；

（d）RA-780樣品的HDI硬化率；

圖6 RA-780樣品在2%拉伸應變下的微觀機理? 2023 Elsevier

（a）重結晶晶粒的HAADF-STEM圖像；

（b）再結晶晶粒和變形晶粒的TEM圖像；

（c）再結晶晶粒區域的TEM圖像；

（d）變形晶粒的高密度缺陷的微觀結構；

（e）在（d）中可見的變形顆粒內部的DF-TEM圖像；

（f）放大后變形顆粒內部的BF-TEM圖像。

圖7 RA-780樣品在10%應變下重結晶晶粒的變形機理? 2023 Elsevier

（a）BF-STEM圖像顯示了高密度的堆積斷層；

（b）HAADF-STEM圖像顯示了堆疊網絡結構；

（c，d）高分辨率的HAADF-STEM圖像顯示了Lomer-Cottrell位錯鎖；

（e）在（d）中所示的區域的水平晶格正態應變分布圖；

（f）在（d）中顯示的HAADF-STEM圖像的重疊圖像。

圖8 不同應力條件下RA-780樣品重結晶晶粒的變形機理? 2023 Elsevier

（a）HAADF-STEM圖像顯示了一個材料的高度變形；

（b，c）HAADF-STEM圖像顯示變形后的堆積斷層；

（d）HAADF-STEM圖像顯示了分層的納米孿晶；

（e，f）HAADF-STEM圖像顯示二次變形孿晶。

圖9 RA-780樣品在原位變形過程中的位錯運動? 2023 Elsevier

（a）在原位變形的早期階段，再結晶晶粒（RG）和變形晶粒（DG）區域的TEM圖像；

（b-f）同一區域在不同變形階段的連續TEM圖像；

（g）晶界附近的位錯運動示意圖。圖10 RA-780樣品的變形機理和應變硬化機理? 2023 Elsevier

（a）變形機理過渡的示意圖；

（b）多重應變硬化機制導致了位錯平均自由程的原位細化。

五、【成果啟示】

綜上所述，本研究研究了一種新的合金設計策略，通過將非均勻結構納入堆垛層錯能合金中，實現了高強度和延展性的同時提升。結果表明：1）Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈能夠將堆垛層錯能降低到16.3 mJ/m²，相當于原有材料的61%；2）在780°C下熱處理合金10 min，得到的微觀結構包括微觀晶粒結構的異質性和位錯、層錯、變形孿晶和退火孿晶的納米尺度缺陷的異質性；3）非均勻組織合金的屈服強度為980 MPa，極限抗拉強度為1380 MPa，拉伸伸長率為48%；4）RA-780樣品具有較高的強度-延性性能。

【作者專訪】

材料人對本文的第一作者安子冰進行了專訪。

1.您好，首先恭喜韓老師團隊在金屬領域又發表了重要成果。實際上，合金材料已經廣泛應用于各行各業，但同時兼具高強度和延展性質的材料鮮有提及，本文就實現了這一性能要求。想請問一下您，本文提出的克服強度-延展性這種權衡的局限性策略的靈感源自于什么？

答：非常感謝材料人的提問。正如您所說，追求兼具高強度和高塑性的金屬材料是材料學家的永恒追求。然而不幸的是金屬材料卻存在強度-塑性倒置的矛盾關系。為了打破這種倒置關系或者將強度-塑性推到最佳組合是該領域的研究熱點與難點。最近研究表明，非均勻顯微結構設計能夠有效地提高材料強度與塑性。這一靈感也源于大自然中的材料，比如，竹子、貝殼等都是一種非均勻的材料。其次，FCC金屬材料隨著層錯能的降低，會引入多種塑性變形機制，從而提高材料加工硬化能力。因此，本文結合這兩種強韌化方法，希望獲得材料力學性能的突破。

2.在文章中，提到性能的提升得益于多種機制的協同作用，實現了合金超高的屈服強度和抗拉強度，那您認為哪一種機制在這里面發揮的作用最大？

答：這是一個非常好的問題，在本文中我們也做了強度及塑性的解釋。通過循環拉伸實驗可知，異構變形誘導強化占據了材料屈服強度的~56%，并且在整個拉伸過程中一直占據主要地位。

3.當然，如果將這成果進一步推廣，必然將會推動產業界的發展，但有一些重要因素，成本和制備流程就必須考慮。因此，本文提出的策略進一步推進和在生產生活中的應用前景如何？

答：非常好的問題，謝謝提問。高熵合金從2004年發展到現在，取得了非常多的并且高質量的研究成果。但是，距離具體應用還有一段距離。高熵合金含有多種貴金屬，這導致其價格較貴，使其應用受限。目前研究仍主要集中在科學問題上。

4.實際上，本文提出的同時提高合金強度和延展性的策略已經大幅度提高了合金的性能，下一步還可以從哪些方面去優化？

答：下一步，可以考慮調控異質結構的比例和空間分布等，從而進一步改善合金力學性能。

文獻鏈接：“Inherent and multiple strain hardening imparting synergistic?ultrahigh strength and ductility in a low stacking faulted heterogeneous?high-entropy alloy”（Acta Materialia，2023，10.1016/j.actamat.2022.118516）

本文由材料人CYM編譯供稿。