金属所《JMST》封面：共晶高熵合金K-S界面主导的位错滑移连续性及其强塑性

　　论文信息

　　第一作者： 熊婷

　　通讯作者： 郑士建、张瑞丰、Peter K. Liaw、马秀良

　　通讯单位： 中国科学院金属研究所

　　DOI: 10.1016/j.jmst.2020.04.073

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　　共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1可以实现强度和塑性的优良匹配且兼具共晶合金优异的铸造、成型性能，因而成为高熵合金中的热门研究体系。合金中大量存在的两相界面必然对合金的塑性变形行为产生至关重要的作用，而合金的两相界面特性及其对合金塑性变形的影响及作用机制尚未得到充分认识。本文精细解析了合金两相界面的取向关系、界面结构，揭示了变形过程中两相的变形机制，并发现一方面合金中界面可以通过阻碍位错运动来强化合金，为合金提供足够强度，另一方面其界面原子尺度结构特征及界面两侧两相的滑移体系对称性有利于合金中部分位错穿越界面实现滑移传递，使合金具有良好的塑性。

　　背景介绍

　　高熵合金因其成分的多组元特性展现出很多独特的性能，例如优异的断裂韧性、疲劳性能、抗腐蚀和抗辐照性能，其作为最有潜力的新一代结构材料得到科研人员的广泛关注。

　　高熵合金的晶体结构常表现为单相面心立方（FCC）结构或单相体心立方（BCC）结构。一般而言，单相FCC结构的高熵合金塑性好但强度低，而单相BCC结构的高熵合金强度高但延展性差，因此单相固溶体高熵合金很难平衡强度与塑性。本文合作者大连理工大学卢一平教授等人综合FCC和BCC高熵合金的优点，基于共晶成分点配比，设计了一种由韧性软质FCC相和脆性硬质B2相交替片层组成的双相共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1，实现了强度和塑性的优良匹配。

　　本文亮点

　　共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中存在大量异质相界面，而到目前为止，人们对合金中界面与位错的相互作用及其对合金性能的影响尚不清楚。本文综合利用扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、及透射电镜（TEM）揭示了共晶高熵合金中两相界面具有K-S取向关系，界面由原子尺度台阶结构构成，拉伸变形过程中位错可实现滑移传递因子大于零的位错可以穿过界面产生连续滑移，为合金提供高塑性；而其余位错则会被界面阻挡产生位错塞积，为合金提供高强度。因此本文揭示了合金中共晶两相的变形机制及相界面对合金强度和塑性的影响，以期对设计高性能的共晶高熵合金提供信息指导。

　　图文解析

　　图1.（a）铸造态共晶高熵合金典型微观形貌的两相分布图；（b）相应区域的取向成像图；（c）图（b）中FCC相和B2相中沿箭头1、2方向与箭头起点的相对取向差。（d）图（b）中跨越FCC相两个不同取向箭头处取向与起点处的取向的取向差。

　　图2. 共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1EBSD扫描区域（图1（a））右侧晶粒的两相极图重叠图，显示两相取向关系为K-S取向且存在两种变体：（a）变体V1，[-111]B2||[-110]FCC和(110)B2||(111)FCC；（b）变体V2，(-111)B2||[01-1]FCC和(110)B2||(111)FCC。

　　图1（a）是铸造态共晶高熵合金典型微观形貌的两相分布图，其中红色是FCC相，蓝色是B2相。共晶组织表现出两种典型形貌：平直的片层和圆板条状，FCC和B2片层的平均片层宽度分别为2.61±1.21 μm和1.22±0.58 μm。将图1中右侧的晶粒中FCC相和B2相的极图重叠来判定FCC-B2的取向关系，如图2所示。极图分析可知共晶高熵合金中两相的取向关系为K-S取向，由于FCC相中存在生长孪晶，存在两种取向变体，分别为V1，[-111]B2||[-110]FCC和(110)B2||(111)FCC；V2，(-111)B2||[01-1]FCC和(110)B2||(111)FCC。

　　图3.（a）平直界面(321)B2||(112)FCC的明场像及对应的复合衍射花样；（b）圆片状区域明场像，显示其中存在(321)B2||(112)FCC和(01-1)B2||(33-2)FCC两种界面；（c）K-S取向下的模拟复合衍射花样。

　　图4. 界面HAADF-HRSTEM照片：（a）(321)B2||(112)FCC界面；（b）(01-1)B2||(33-2)FCC界面。

　　图3为合金中两种典型形貌中主导界面的TEM明场像及其相应的两相复合衍射花样。根据PTC Lab软件模拟K-S取向下符合衍射花样（图3（c））,可确定黄色虚线标记界面指数为(321)B2||(112)FCC，蓝色虚线标记的界面指数为(01-1)B2||(33-2)FCC。高分辨HAADF-HRSTEM图像（图4）显示了(321)B2||(112)FCC和(01-1)B2||(33-2)FCC在原子尺度上台阶特征的界面结构。

　　图5. 不同g衍射矢量下的双束衍衬像，用以确定FCC相中位错矢量和类型：（a）g = (200)；（b）g = (1-11)；（c）g = (11-1)；（d）g = (002)。g衍射矢量方向用黑色箭头标出。（e）图（a–d）中可见位错的描图，不同伯格斯矢量位错采用不同颜色来区分。

　　图6. 不同g衍射矢量下双束衍衬像，用以确定B2相中位错矢量和类型：（a）g = (0-11)；（b）g = (110)；（c）g = (101)；（d）g = (001)。g衍射矢量方向用黑色箭头标出。图（a），（b）和（c）中电子束入射方向接近[-111]晶带轴，图（d）的电子束入射方向接近 [-110] 晶带轴。

　　图5和图6分别给出了拉伸变形后共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中FCC相和B2相中位错的双束衍衬分析形貌图。根据g·b=0消光准则对共晶两相中位错伯格斯矢量进行判定，可以确定共晶高熵合金中FCC相的塑性变形主要是通过伯格斯矢量为1/2<110>位错在{111}面上的平面滑移来实现的；B2相的变形主要通过<111>螺位错在{110}面上滑移来实现。

　　图7.（a）TEM明场像，显示FCC相内位错在界面塞积；（b）TEM明场像，显示滑移迹线连续穿越FCC和B2相；（c）位错从FCC相穿越进入B2相的典型TEM形貌像。

　　共晶高熵合金中存在大量两相界面，界面在合金塑性变形过程中起着至关重要的作用。在变形的初期，材料中大量存在的界面可以充当位错异质形核的起源来诱发合金的塑性变形。由于FCC相本征属性较软，位错优先从界面进入到FCC相中激活FCC相的塑性变形。图7（a）是一张TEM明场像，展示了FCC相中一列位错被相界面阻碍。而图7（b）显示两相中的滑移迹线在界面两侧一一对应，表明位错可以滑移穿越界面。图7（c）一张典型的TEM明场像，展示了FCC相内位错穿越进入到B2相内。以上结果表明共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中的相界面对材料的部分位错有强阻碍作用，而对另一部分位错而言则是易于滑移传递的。位错在界面处滑移传递可行性可以通过滑移传递几何因子χ来判定，当χ大于0，位错可以穿过界面实现滑移传递，等于0则位错将被界面阻碍。界面处的位错滑移传递，有助于合金两相协同变形，提高合金的拉伸塑性，而界面对位错的强阻碍作用，则使合金强度提升。

　　总结与展望

　　综上所述，本文精细表征了共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1中界面的取向关系及界面结构，深入探索了共晶高熵合金的变形机制及界面效应，建立了原子尺度界面结构与合金强塑性之间的联系，以期为通过界面调控设计更高强度、更高塑性高熵合金提供指导信息。

　　本文来自“《JMST》期刊”。