中南大学《JMST》：引入多尺度异质结构，获得超强韧中熵合金！

编辑推荐：粗晶粒单相面心立方中熵合金(MEAs)在某些工程应用中通常表现出不足的强度。文章通过对(CoCrNi)94Ti3Al3多尺度非均匀结构的精心设计，获得了极限抗拉强度为1.6 GPa、室温断裂应变为13.1%的优越力学性能。电镜表征表明，合金优越的力学性能主要来自于良好的非均匀相fcc基体(1~40μm)和球形γ′析出相(10~100 nm)，以及高密度的结晶缺陷(2~10nm)，包括位错、小层错(SFs)、Lomer-Cottrell位错锁(LC)和超细变形孪晶（DTs）。

铸态CoCrNi合金的低强度(屈服强度通常低于400 MPa)已不足以满足许多工程应用。通过热机械加工和随后的完全再结晶细化晶粒，可以产生组织相对均匀的大样品，进一步提高屈服强度。这种方法可能大大降低淬透性，导致极限强度的提高有限，但延性的显著损失。少量的强γ′相(γ′)形成物Al和Ti可以引入相干析出相，并提供良好的强度-延。本研究探索了一种单步热处理方法，通过在非均相细化fcc基体中引入纳米尺寸的非均相γ′沉淀和不同的晶体缺陷，来获得(CoCrNi)94Ti3Al3合金的高强度和延性。相关论文以题“Ultrastrong and ductile (CoCrNi)94Ti3Al3 medium-entropy alloys via introducing multi-scale heterogeneous structures”发表在《JMST》。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.06.048

图1 (a) 应力-应变曲线(b)拉伸性能比较(c) RA-500和RA-700真应力-应变曲线和(d)加工硬化曲线

SAED证实了在RA-500最佳退火条件下形成fcc/ γ′与[011]fcc/ /[011] γ′的界面取向。合金的YS、UTS和塑性分别保持1.20 GPa、1.60 GPa和13.5%，实现强度和延展性的完美结合。与其他工程材料的抗拉性能比较RA-500处理的合金表现出更好的强度和延性结合。相比之下，RA-500样品在屈服后观察到三阶段的加工硬化行为。本研究中检测到的细小异构相γ′在调节强度和延性的权衡方面发挥了重要作用。一方面，根据Orowan强化理论，高体积分数的小析出相产生有效的沉淀强化; 与RA-700处理的铝合金相比，RA-500处理后试样强度高的部分原因是细小γ′相的高密度。另一方面，已有研究表明γ′析出相的非均质性可以促进应变的进一步区分。同时，超细γ′析出相与周围fcc基体具有相干取向关系，由此降低了γ′析出相与位错之间的弹性相互作用。由于相干界面处可以忽略应变积累，防止析出-基体界面处的裂纹萌生。

图2合金的ECCI显微组织分析

此外，应变硬化能力的其他积极作用可能归因于各种非均相超细晶缺陷的形成。ECCI显微组织分析表明，许多滑移带(~0.8μm)出现在晶粒基体中并相互作用。滑移带是由于平面滑移而形成的，在MEAs/HEAs中伴随着晶格摩擦应力，已被认为可以容纳塑性变形。

图3 (a - d)轧制态合金的微观组织分析:(a) SAED模式显示fcc基体具有(111)局部轧制织构;(b) BF-TEM图像显示高密度位错的;(c) BF-TEM图像和SAED证实显示SF和LC的形成;(d) BF-TEM图像和SAED显示变形孪晶。(e - g) RA-500处理的(CoCrNi) 94Al3Ti3合金的显微组织分析:(e)和(f) BF-TEM图像和HR-TEM图像及FTT模式，显示γ′析出相、SFs和LCs;(g)表明纳米孪晶形成的BF-TEM图像和SAED模式L5。(h)和(i) RA-700处理的(CoCrNi)94Al3Ti3合金的显微组织分析:(h) BF-TEM图像显示完全再结晶的组织;(i) BF-TEM图像表明形变孪晶与某些位错相互作用

一般情况下， DTs除了作为塑性载体外，还可以通过引入额外的界面诱导晶粒细化效应，从而显著减小位错平均自由程，导致明显的动态Hall-Petch效应。此外，孪晶界也可以为位错运动提供有效的障碍，增加位错堆积的能力。此外，在室温和低温条件下均可广泛发现SFs，是γ′硬化HEAs/MEAs的主要变形模式。此外，与SFs一样，来自四个方向的位错也可以被LC锁钉住，其他位错也难以在LC锁附近移动，从而导致位错堆积，这对HEAs/MEAs的强化和应变硬化也有积极作用。的BF-TEM图像显示，合金中含有重结晶晶粒，其中发生了位错和孪晶的相互作用

图4 微观结构演变的示意图

通过一次轧制和退火处理，可以得到多尺度非均质结构。增强的力学性能主要来自三个方面:(1)基体晶粒细化(1~50 μm)产生了晶界强化和优异的加工硬化能力;(ii)超细非均相γ′析出相(10-100 nm)有效强化沉淀;(iii)强化和硬化也可能源于不同尺寸的各种晶体缺陷(即SFs、LCs、DTs和滑移带)容纳位错的能力。

综上所述通过制备多尺度非均相结构来获得软fcc MEAs/HEAs的强度和延性的良好组合。这一策略也为开发具有优良延展性的高强度MEAs/HEAs提供了一些见解。同外还详细研究了所开发复合材料的高温性能增强的潜在机制。（文：晓太阳）

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