超高强高塑性梯度异构层状结构共晶高熵合金！

导读：工程应用中一直追求在室温和低温下都具有高强度延展性的金属丝。然而，传统金属丝不可避免地受到强度-延展性权衡的困境。通过精心设计的多级重型拉伸和热处理工艺，在AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金(EHEA)丝中引入了一种将梯度分布的硬质B2片嵌入软FCC片基体的梯度异构层状结构，达到了优异的强度-延展性协同作用。该EHEA线不仅在室温下表现出1.85 GPa的高抗拉强度和足够的均匀伸长率(约12%)，而且在低温下也具有2.52 GPa的超高抗拉强度和略高的均匀伸长率（约14%）。深入的微观结构表征表明，梯度异构层状结构促进了几何必要位错(GND)在拉伸过程中的径向梯度分布，即GND密度从表面区域向中心区域逐渐减小，从而诱导出明显的应变。有趣的是，在低温下，EHEA丝的B2相中首次观察到导致强烈的动态微观结构细化的密集交叉滑移。交叉滑移的激活提供了足够的延展性，同时诱导了明显的动态的霍尔-佩奇效应，成为最有效的变形机制，有助于得到前所未有的低温抗拉性能。该工作对设计超高强度EHEA导线和其他先进金属导线具有一定的指导意义。

大型斜拉桥、重型升降吊索、海上平台索具等各种工程应用都要求金属丝具有较高的强度和延展性，其中珠光体钢丝是最成熟和应用最广泛的材料。然而，高强度通常伴随着低延展性，这被称为权衡困境。此外，金属丝的工作环境也变得更加复杂和极端（如低温环境），这向传统金属丝提出了巨大的挑战。

近十年来，高熵合金(HEAs)或复合浓缩合金(CCAs)，即具有等摩尔比或近等摩尔比的多个主元素的材料体系，引起了一股持续的热潮。独特的设计理念赋予了这些合金意想不到的各种机械性能，例如低温条件下优异的断裂韧性和非凡的自锐能力。这使得它们成为工程应用的新颖和潜在的候选者。最近，Lu等人提出了一种共晶高熵合金(EHEAs)的设计策略，并制备了具有常规FCC/B2层状结构的AlCoCrFeNi2.1 EHEA，该合金在室温和低温下都能实现更优异的强度和延展性组合，为优化AlCoCrFeNi2.1 EHEAs的力学性能做出了重大努力。例如，Shi等人在EHEA中发展了一种两级异构结构，从而获得了优越的强度-延展性组合；Reddy等人发展了一种独特的双结构-组成异质性EHEA，从而在EHEA中获得了几乎最好的强度;Ren等人最近使用激光粉末床融合技术打印了纳米层EHEA，并获得了显著的强度-延展性组合。因此，AlCoCrFeNi2.1 EHEA的出现为我们在极端情况下制造具有超高强度和足够延展性的先进金属丝提供了巨大的可能性。

值得注意的是，异构材料，如具有梯度结构或非均匀层状结构的材料通常具有优越的力学性能。结果表明，拉伸工艺的条件(模角和每次通过的还原量)可以有效地影响钢丝径向应变分布，拉伸钢丝的力学性能与变形孪晶带来的晶粒细化效应等异构的微观结构有关。因此，为了在极端工程应用中实现EHEA丝前所未有的力学性能，通过适当调整拉伸和后续热处理过程，引入与EHEA内部层状结构相结合的梯度结构成为一种有吸引力的策略。

在本工作中，中国科学院力学研究所陈艳研究员团队精心设计了多阶段重型拉伸和热处理工艺来制备EHEA线材。采用该方法成功地制备了具有梯度异构层状结构的AlCoCrFeNi2.1 EHEA线。该直径为500 μm的EHEA线不仅在室温(293 K)下具有优异的张力特性，而且在低温(77 K)下具有更好的张力特性。然后通过一系列微观结构表征，如电子反散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM），系统地研究了热力学加工、结构特征、变形机理与力学性能之间的内在关系。相关研究成果以题“Ultra-strong heavy-drawn eutectic high entropy alloy wire”发表在Acta Materialia上。

链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118515

图1

(a)梯度异构层状结构的设计思想示意图，其中FCC相和B2相分别用青色和粉色表示。退火后EHEA丝从中心区域到表面区域的EBSD (b-d)相图和(e-g) IPF相图显示梯度异构片层结构，其中FCC相和B2相分别以红色和绿色表示。(h) EHEA线中B2相平均长径比和平均宽度从中心区域到表面区域的分布。(i) EHEA导线中相厚度的分布，以面积分数绘制。(j) EHEA线中FCC和B2晶粒平均宽度和平均直径的分布，以面积分数表示。FCC相和B2相分别用红色和绿色表示。

图2

(a)EHEA线中FCC和B2相径向(R)、环向(θ)和轴向(Z)方向的ipf。(b, c) EHEA导线中FCC和B2相的EBSD分析得到的相关ODF切片。这些符号表示了在基于fc和bcc的晶体中典型纹理组件的位置。

图3

（a）拉伸时EHEA线的BF-TEM图像，分别沿[011]和[001]区域轴拍摄两种相应的SAED图像。(b) B2相和(c) FCC相的放大的BF-TEM图像。位错组织用青色箭头标出，变形孪晶用蓝色箭头标出。

图4

(a)退火EHEA线的BF-TEM图像，分别沿[011]和[001]区域轴拍摄两种相应的SAED图像。(b) HRTEM图像显示FCC和B2相之间的半相干相位边界。

图5

元素映射结果表明，EHEA丝的FCC相富含Co、Cr和Fe, B2相富含Al和Ni。

图6

(a)拉伸EHEA丝、退火EHEA丝和铸态EHEA丝的拉伸工程应力-应变曲线。(b)在293 K和77 K下真实应力-应变曲线和rate-true应变硬化曲线的EHEA电线 (c)在293K下电流型EHEA导线和块状EHEA导线的极限抗拉强度与均匀伸长率的关系图(d)在77K下电流型EHEA导线和块状EHEA导线的极限抗拉强度与均匀伸长率的关系图。

图7

(a)在293 K下测试的断裂EHEA线的BF-TEM图像。放大的(b) B2相和(c, d) FCC相的BF-TEM图像。堆垛层错用粉色箭头标出。

图8

在77 k时，随着拉伸应变的增加，EHEA丝的微观结构演变

(a)在工程应变为5.0%时，BF-TEM图像显示B2相的波浪滑移模式。(b)断裂EHEA线(工程应变为14.3%时)的BF-TEM图像，(c)沿[011]带轴拍摄的B2相交叉滑移的相应SAED图像。(d)双光束BF-TEM图像显示B2相中密集的交叉滑移，其中带有g矢量的白色箭头表示所使用的双光束衍射条件。(e)某工程FCC阶段三维SF-DT结构网络的HRTEM图像和(f) 工程应变为14.3%时FCC相三维SF-DT结构网络的FFT。橙色箭头表示波浪状断层，黄色箭头表示交叉断层，一系列粉色箭头表示堆叠断层。

图9

(a, b)在293 K下测试的拉伸EHEA丝，(c, d)在293 K下测试的退火EHEA丝和(e, f)在77 K下测试的退火EHEA丝的断口表面的SEM图像。

图10

(a) EBSD分析样品示意图。EHEA导线(b)在293 K拉力前和(c)在293 K拉力后的KAM图(d)在293 K拉力前后EHEA导线两相的密度分布。

总之，通过对多级重型拉伸和热处理工艺进行了精心设计和利用，首次成功制造了超高强度的梯度异构层状EHEA线，通过详细调查并讨论了结构特征、张力特性和变形机制之间的关系，我们发现：梯度异质层状结构的特点是硬梯度分布的B2层嵌入柔软的FCC层状基质中，离表面越近，B2层就越不连续。FCC和B2层都由具有超细宽度的柱状颗粒组成，这可能会导致密集的晶界硬化。此外，许多结构特征，例如K-S型定向关系、半相干相边界和纹理的特殊组合，可以提供很强的界面键合，从而有助于机械性能。在293 K处，EHEA线中的B2相表现出位错诱导的可塑性，而FCC相则表现出位错诱导的可塑性和SF诱导的可塑性。在77 K处，在EHEA的B2相中，沿着{112}滑移平面首次观察到致密的交叉滑移，而堆叠故障在FCC阶段沿着多个{111}平面广泛激活，并形成不寻常的3D SF-DT结构网络。B2和FCC相中的多种机制是EHEA线前所未有的低温特性的最重要因素。

来源：材料学网