Scripta Materialia：亞穩態高熵合金中強度和延展性之間寬范圍權衡的微觀機械起源

一、 【導讀】?

隨著工業應用對高性能材料的需求不斷增長，人們一直在尋求既具有高強度又具有高延展性的合金，但在大多數這類材料中，強度和延展性之間的權衡是不可避免的。在過去二十年里，高熵合金（HEAs）作為一種新的合金化策略，開創了極為廣闊的成分空間，以實現具有期望力學性能的合金設計。在HEAs中，人們已經嘗試了多種途徑來打破強度和延展性之間的平衡，如沉淀、梯度結構、分層微結構、相變、間隙固溶和間隙復合物等。然而，由于事后技術和表面測量的局限性，我們仍無法全面揭示碳摻雜亞穩態HEA在承載下的連續變形機制演變。這些實驗方法無法定量地識別不同相的載荷分配以及晶粒取向，同時也難以跟蹤變形機制的激活和變化。因此，在這些亞穩態高熵合金中，關于位錯、孿晶、新相以及它們之間相互作用對硬化行為的影響仍存在較大的認知差距。

二、【成果掠影】

近日，美國田納西大學的高雁飛教授與日本國立材料科學研究所的Taisuke Sasaki共同報告，通過調整不同的退火溫度和時間，間隙型亞穩態高熵合金可以實現廣泛的強度與延展性之間的權衡關系。借助原位中子衍射、電子背散射衍射和電子通道對比成像分析，他們研究了這些材料背后的變形機制。這些技術揭示了，通過各種退火處理，可以調節相變過程，從而在相應的微觀結構尺度上實現不同程度的載荷分配和共享。因此，通過熱處理和由面心立方相到六方最密堆積相的相變產生的微觀結構，可以有效地改善所研究合金的延展性。相關成果以“Micromechanical origin for the wide range of strength-ductility trade-off in metastable high entropy alloys”為題發表在Scripta Materialia上。

?三、【核心創新點】

通過不同的退火處理，調節相變過程和微觀結構，從而實現寬范圍的強度和延展性權衡的間隙型亞穩態高熵合金設計。

?四、【數據概覽】

圖1 (a)不同處理條件下HEA樣品的工程應力-應變曲線，以及(b)與相應工作硬化率曲線重疊的真實應力-應變曲線。使用電子背散射衍射（EBSD）技術，繪制了經退火處理的(c) R750C-3m、(d) P750C-1m和(e) P750C-3m樣品的反極圖、相圖和核平均失配（KAM）圖。從(d)中的矩形區域I和II中獲取的放大的電子通道對比成像（ECCI）結果。

圖2 不同樣品沿載荷方向的宏觀真實應力下面心立方體（FCC）和六方封閉堆積（HCP）晶粒族的晶格應變演變：(a) P750C-30s，(b) P750C-1m，(c) P750C-2m，(d) P750C-3m，(e) P700C-6m，(f) P650C-15m，(g) R750C-3m，(h) R700C-6m，(i) R650C-15m。

圖3 FCC比例隨相應真實應力-應變曲線和工作硬化曲線的演變：(a) P750C-1m，(b) P750C-3m。

圖4 (a) P750C-1m和(b) P750C-3m樣品在斷口附近的EBSD反極圖、相圖和KAM圖，以及IPF圖中不同晶粒取向的相關放大ECC圖像。

圖5. 研究的間隙型亞穩態高熵合金的拉伸性能（拉伸強度與延伸率）與傳統金屬材料的比較，以及不同拉伸性能合金中變形機制的相應示意圖。

五、【成果啟示】

總之，通過實時原位中子衍射、EBSD和ECCI分析，揭示了具有不同拉伸性能的間隙型亞穩態高熵合金的連續變形機制。通過在Fe_49.5Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀C_0.5合金中制備不同的初始微觀結構，并通過一系列退火過程實現了寬范圍的強度與延展性權衡。面心立方到六方最密堆積的轉變引發的多階段工作硬化行為可以導致一系列不同的性能表現。這種理想的臨界條件可以通過調整不同的制備過程來實現，從而通過改變FCC基體和HCP馬氏體之間的負載分配來實現不同的變形機制。本研究利用關鍵的中子衍射測量，揭示了這些情景的微觀力學起源，主要歸因于再結晶晶粒中的臨界應力降低和多重滑移系統的激活。

原文詳情：Lyu, Z.;? Li, Z.;? Sasaki, T.;? Gao, Y.;? An, K.;? Chen, Y.;? Yu, D.;? Hono, K.; Liaw, P. K., Micromechanical origin for the wide range of strength-ductility trade-off in metastable high entropy alloys?. Scripta Materialia 2023, 231, 115439.

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115439