哈尔滨工程大学：控制高熵合金塑性变形机制实现强度-塑性协同

导读：通过沉淀析出降低合金的层错能（SFE）来优化塑性变形机制是提高高熵合金（HEA）强度-塑性协同作用的有效方法。本文通过控制析出，开发了两种成分相同但变形机制不同的 HEA。位错平面滑移和堆垛层错 (SF) 主导的变形被调整为两种 HEA 中的主要变形机制。变形机制的转变是由纳米沉淀物间距（λ）的变化引起的。只有在足够小的 λ (< 6 nm) 处，纳米沉淀物周围 SFE 降低的区域由于 Ni 和 Nb 的耗尽而连接和重叠，从而降低了整个基体的 SFE。这促进了变形过程中SF的形成，从而同时提高了强度和塑性。

在高性能结构材料时代，高熵合金(high-entropy alloy, HEAs)因其独特的结构特征和力学性能受到了广泛关注。具有单相面心立方(FCC)结构的HEAs具有良好的塑性和耐腐蚀性能，甚至具有良好的抗辐照性能，但通常强度较低。传统合金的强化方法大多已应用于HEAs的强化。其中，沉淀强化对FCC-HEAs的强化效果较好。然而，即使析出相与基体的失配程度很小，强度的增加仍然会导致延展性的损失;从而导致综合力学性能不够理想。因此，探索同时提高合金强度和延展性的方法显得尤为重要。

众所周知，合金中塑性变形的主要载体是基体；因此，有必要降低基体的SFE。在时效过程中，析出物的形成元素从基体中分离出来，从而改变了其成分，这有望降低 SFE。然而，并非所有沉淀强化的HEA在沉淀后都表现出变形机制的变化。因此，值得研究析出物的特征是否影响变形机制的转变。

哈尔滨工程大学张中武教授团队对此进行了研究，样品产生了非凡的加工硬化能力。开发了两种成分相同但变形机制不同的 HEA。位错平面滑移和堆垛层错 (SF) 主导的变形被调整为两种 HEA 中的主要变形机制。而 CR-AG 屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到 816、1285 MPa 和 ~48%。相关研究成果以题为“Transition of plastic deformation mechanisms governed by spacing of nano-precipitates in a high entropy alloy”发表在Scripta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646222002676#fig0003

为了探究两种所得样品的变形机制，对其拉伸断裂后的微观组织进行了表征(图1)。在An-AG试样中，存在大量的平面滑移位错(图1(a, b))。一般来说，具有高SFE的FCC合金的变形倾向于通过微带状、位错交叉滑移或平面滑移发生由此得出结论:An-AG样品的基体具有较高的SFE，变形机制以位错的平面滑移为主。然而，在拉伸试验后，CR-AG样品中观察到显著的sf(图1(c))。两个滑动系统被激活(分别用绿色和粉色箭头标记)，并相互交错形成SF网络。如图1(d, e)所示，暗场(DF)和衍射图样(DP)图像进一步证实了SFs的存在。这表明CR-AG样品的基体可能比An-AG样品具有更低的SFE，导致以SFs为主的变形。低SFE的FCC合金更容易形成sf、孪晶或相变，从而提高塑性。

图1。拉伸后微观组织发生变化。(a, b)拉伸后样品An-AG的亮场(BF)图像，显示了位错的平面滑移。(c) CR-AG试样拉伸后的BF图像，表现出以sf为主的变形行为。(d, e)分别为(d)中sf的DP和DF图像。(f)不同观测角度下sf的BF图像。(g)高倍率(f)的BF图像，显示SF网络中交叉口的LC锁。(h) SF网络和LC锁的HRTEM图像和相关FFT模式。

图2。相组成和组织。(a, l) An-AG和CR-AG的XRD谱图。(b, m) An-AG和CR-AG的EBSD IPF图谱。(c, n) An-AG和CR-AG的晶界图。黑线和红线分别表示高角度晶界(θ≥15°)和Σ3 60°(111)孪晶。(d, o) An-AG和CR-AG的粒度分布。(e, p) An-AG和CR-AG晶界取向错分布。(f, q) An-AG和CR-AG的EBSD PF图。(g, r) An-AG和CR-AG晶粒中纳米析出相的BF图像，插图为L12纳米析出相的DP图像。(h, s) HRTEM图像显示了An-AG和CR-AG中FCC/L12相界面相干。(i, t) L12纳米析出物和FCC基体在(h)和(s)中的FFT图。(j, u)应力加载前An-AG和CR-AG中位错构型的BF图。(k, v)应力加载前An-AG和CR-AG的KAM。

图3。纳米沉淀物特征及SFE分布。纳米沉淀物特征及SFE分布。(a, i) An-AG和CR-AG中纳米沉淀的TEM-DF图像。(b, j) TEM测得An-AG和CR-AG的平均d。(c, k)透射电镜分析An-AG和CR-AG的平均λ。(d, l) APT图与Ni, Co, Fe, Nb, V，和等浓度界面绘制在8 at。% Nb在An-AG和CR-AG中。(e, m) An-AG和CR-AG的一维扫描位置。(f, n) An-AG和CR-AG中基质和L12相表面的成分分布。(g, o)三维扫描在An-AG和CR-AG中的位置。(h, p)分别由g和o转换成二维分量等值线图。

使用两种不同加工方法获得的 An-AG 和 CR-AG HEA的代表性拉伸工程应力-应变曲线如图 4 （a）所示。An-AG的 YS、极限抗拉强度和断裂伸长率 (FE) 分别为 796、1221 MPa 和 ~35%，而 CR-AG 分别为 816、1285 MPa 和 ~48%。An-AG 和 CR-AG HEA 的断裂形态显示出大量的凹坑（图 4 （b，c）），表明典型的韧性断裂机制。CR-AG 表现出更大的凹坑，这对应于更好的 FE 。两个 HEA 显示出相似的 YS，但塑性显著不同，这表明由减小的λ引起的以 SF 为主的塑性变形可以提供更高的加工硬化能力，这表现在 CR-AG 的大塑性上。

图4。力学性能和断裂形貌。(a) An-AG和CR-AG HEAs的代表性工程拉伸应力-应变曲线。(b) An-AG HEA的断裂形貌。(c) CR-AG HEA的断口形貌。

纳米析出相之间的间距显著影响HEA基体的SFE分布，最终影响合金的变形行为和塑性。析出导致基体中高SFE元素(Ni和Nb)在离析出相2和3 nm范围内的耗损，导致该区域的SFE显著降低。在析出相间距足够小的情况下，成分/SFE改变区域连接和重叠，导致整个基体的SFE降低，并导致变形过程中SFs的形成。通过控制热机械处理可以调节纳米析出相之间的间距，诱导sf的形成，通过以sf为主的塑性变形获得高塑性。这项工作为研究纳米尺度沉淀对合金基体SFE变化和变形行为的影响提供了深入的见解。