《Acta Materialia》：CoCrFeNi高熵合金的动态变形行为和机理！

在过去的十年中，通过将接近等原子比（5%至35%）的多种元素（四种或更多）合金化到固溶体相中，提出并合成了一类新型合金，被称为高熵合金（HEA）。这种HEA策略打破了传统合金设计的局限性，大大拓宽了合金的设计空间。通过调整元素的成分或浓度，科学家可以调节 HEA 的微观结构，以进一步实现所需的机械性能。 HEA 表现出卓越的机械性能，如高强度、优异的延展性、高断裂韧性和良好的热稳定性。由于其独特的微观结构和化学成分，高熵合金（HEA）表现出卓越的机械性能，如高强度、优异的延展性和良好的热稳定性。然而，迄今为止，关于 HEA 动态行为的研究还很有限。

来自北京理工大学和清华大学的学者通过结合力学测试和分子动力学模拟，系统地研究了CoCrFeNi HEA及其连接在动态加载下的力学行为和变形机制。对多晶CoCrFeNi HEA 样品在不同应变率下的压缩测试表明，屈服应力和流动应力均随应变率的增加而增加，并且由于HEA 的固溶强化和晶格畸变而表现出显着的应变率敏感性。 CoCrFeNi HEA 的应变率敏感性从低应变率 (5.0×10−5–2.5×103 s−1) 下的 0.010 转变为高应变率 (2.5×103–6.5×103s−1) 下的 0.333。大规模分子动力学模拟进一步揭示，这种转变与低应变率下的位错成核和滑移到高应变率下的大量位错成核和阻力的塑性变形机制转变有关。此外，CoCrFeNi HEA 在高应变率下表现出显着的应变硬化能力，这源于初级和次级纳米级孪晶以及孪生孪生和孪生位错相互作用的形成。我们目前的研究揭示了动态载荷下 HEA 的塑性变形机制，为设计和制造具有优异动态机械性能的 HEA 提供了指导。相关工作以题为“Dynamic deformation behaviors and mechanisms of CoCrFeNi high-entropy alloys”的研究性文章发表在Acta Materialia。

图 1. CoCrFeNi HEA 块体的微观结构表征。 (a) HE-XRD 图案。 (b) 块状 CoCrFeNi HEA 的 EBSD 图

图 2. CoCrFeNi HEA 在不同应变率下的单轴压缩行为。 (a) 不同应变率下的真应力-真应变曲线。 (b) 5%应变下屈服应力和流动应力随应变率的变化。 Al、Ni 和 Cu的数据用于比较。 (c) 不同应变下的流动应力随应变率的变化。 (d) 应变硬化率随真实应变的变化。

图 3. CoCrFeNi在不同应变速率下变形后的显微组织。 (a, b) CoCrFeNi HEA 在真实应变为 16.2% 和 28.8%、应变率为 1×10−3 s−1时的 EBSD 图。 (c, d) CoCrFeNi HEA 在真实应变为 16.2% 和28.8%、应变率为 4.5×103 s−1时的EBSD 图。变形孪晶产生的孪晶边界呈蓝色。 (e) CoCrFeNi HEA 在不同应变率下真应变为 28.8% 时的取向差角分布。

图 4. CoCrFeNi HEA 的 TEM 图像，在应变率为4.5×103 s−1时，真实应变为 28.8%。(a, b) 变形 HEA 中的双束。 (b) 中的插图显示了孪晶结构的选定区域电子衍射图案。

图 5. MD 模拟中 CoCrFeNi HEA 的单轴压缩。 (a) 具有 4 个晶粒的模拟多晶样品的初始原子构型。 (b) 模拟样品在不同应变率下的应力-应变曲线。 (c, d) 屈服应力和流动应力随应变率的变化。 (e) 应变率为 15.0%、应变率为 2×107 s−1时模拟样品的原子构型。 (e) 应变率为 15.2%、应变率为8×109 s−1时模拟样品的原子构型。白色虚线表示多个纳米级孪晶的孪晶边界。白色实线表示矩阵和孪晶域中的原子排列。

图 6. 模拟样品在不同应变率下变形过程中的位错演化。 (a-c) 应变率为 2×107 s−1 时模拟样品中位错分布的一系列快照。 (d-f) 应变率为 8×109 s−1时模拟样品中位错分布的一系列快照。 (g) 在不同应变率下施加应变时位错密度的演变。

图 7. 移动位错密度和平均位错速度随应变率的变化。

图 8. CoCrFeNi HEA 在不同应变率下真实应变为 16.2% 的肯尔平均取向误差 (KAM) 图。 (a) 应变率为1×10−3 s−1时 CoCrFeNi HEA 的 KAM 图。 (b) 应变率为4.5×103 s−1时 CoCrFeNi HEA 的 KAM 图。高角度晶界以黑线显示。

图 9. 根据 MD 模拟，在应变率为 8×109 s−1的变形样品中形成分层孪晶。 (a) 晶界的位错发射。 (b-c) 初级孪晶 (T1) 的成核和生长。 (d-e) 二次双胞胎 (T2) 的成核和生长。 (f) 主要双胞胎和次要双胞胎之间的相互作用。白色和黄色分别代表主要和次要双胞胎。

总之，本研究通过准静态/动态压缩测试研究了 CoCrFeNi HEA 在应变率范围从 5.0×10−5 s−1到 6.5×103 s−1的变形行为和相关机制。本研究还进行了 MD 模拟来补充实验并揭示潜在的变形机制。实验结果表明，随着应变速率的增加，多晶CoCrFeNi HEA的屈服应力和流动应力均显着增加。 5%应变下的流变应力的SRS从低应变率下的0.010转变为高应变率（2.5×103–6.5×103s−1）下的0.333 。实验分析和MD模拟相结合表明，这种SRS转变归因于从低应变率下的位错成核和滑移到高应变率下的大量位错成核和位错阻力的变形机制转变。此外，在高应变速率下，CoCrFeNi HEA 的应变硬化速率随应变的变化存在一个平台，表明高应变速率下具有显着的应变硬化能力。这种显着的应变硬化源于初级和次级纳米级孪晶以及孪生和孪生位错相互作用的成核和延伸。本研究结果提供了动态载荷下 HEA 塑性变形的机制见解。（文:SSC）

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