哈工大《IJP》：激光冲击强化的高熵合金表现出强塑性协同效应！

抑制硬质层中的应变局部化是梯度合金具有延展性的关键。本项工作中，采用激光冲击喷丸（LSP）处理制造了沿深度分布的梯度结构CrFeCoNiMn0.75Cu0.25高熵合金（HEA）。原位数字图像相关（DIC）方法从局部应变的角度阐明了LSP处理的4个周期HEA优异力学性能的机制。致密的剪切带在低应变阶段成核，并在整个塑性变形过程中保持稳定的演化，从而导致优异的拉伸延展性。塑性变形不相容性导致了二维应力状态和塑性-弹性界面附近的横向应变梯度，这促使微观缺陷的相互作用和积累，提高了合金的应变硬化能力。这些结果从新的角度揭示具有优异强度-延展性的梯度结构合金的机械起源，同时也为优化HEA的力学性能提供指导。此工作以“Strain delocalization in a gradient-structured high entropy alloy under uniaxial tensile loading”为题发表在金属材料旗舰期刊《International Journal of Plasticity》上。

链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103808

高熵合金（HEA），是一种由等摩尔分数或接近等摩尔分数的多种主元素组成的新型金属材料，近年来被广泛研究，但HEA仍然存在传统合金的强度-延展性悖论并限制了其广泛应用。哈工大发现从表层到中心层逐渐变化的梯度结构能实现HEA的强度-延展性的协同作用。制备HEA梯度结构的传统策略主要是表面处理方法，激光冲击喷丸（LSP）用途广泛且对制造的产品形状无损，有望促进具有梯度结构的HEA的工业应用。

位错硬化和机械孪生的结合提高了LSP处理的梯度HEA的应变硬化能力，在拉伸加载期间具有优异的延展性。梯度微观结构，如细晶粒（FG）和纳米孪晶等，将导致合金中硬层和软层之间的应变分配。合金中施加的单轴应变将转化为多轴应变，激活多个滑移系统并促进位错硬化。剪切带（SBs）是含FGs合金中应变局域化的重要特征，与传统FG金属不同，梯度无间隙原子（IF）钢和纯Ni的表面FG层中形成了分散的致密SBs，从而适应主要的拉伸应变，并提高拉伸变形过程中的整体应变硬化和延展性。与传统合金相比，梯度结构HEA在SBs和塑性变形行为方面的表现仍未知，考虑局部应变对异质HEA的影响非常重要，有助于理解塑性增强和缺陷密度增加的内在机制。

这项工作中，通过LSP在CoCrFeNiMn0.75Cu0.25HEA中制造典型的梯度结构，以研究不同层中的应变行为，重点探讨梯度结构样本中FG层如何变形。关键问题是为什么在硬层中不会发生灾难性应变局部化，以及层间约束如何影响表面硬层中的应变离域。这些结果对研究梯度材料的变形机制和力学行为具有重要意义。

图2不同加工方法后研究的CoCrFeNiMn0.75Cu0.25HEA的代表性（a）工程应力-应变曲线与（b）应变硬化率-真实应变曲线相对应。

图3对4-LSP HEA三个不同区域的IPF进行EBSD分析。（a）I、（b）II和（c）III。

图4与SAED相对应的典型TEM明亮图像，显示了异位加载过程中4-LSP处理的样品在不同深度处的微观结构不均匀性：（a）、（c）2%和（b）、（d）15%。

图5不同应变下4-LSP处理的HEA的SB在侧面（YOZ）上的分布。（a）具有梯度结构的拉伸样品模型，以及局部应变随施加应变的分布（b）1.6%、（c）5%和（d）16%。

图6 SBs密度的演变与4-LSP加工的HEA侧面的应力分布相对应。

本项工作中，多次LSP处理生产的典型梯度结构CoCrFeNiMn0.75Cu0.25HEA表现出高屈服强度和良好的延展性，并且表面强化后的HEA加工硬化能力仍与铸态合金相当。采用原位DIC应变测量研究不同条件下合金的塑性变形行为，经4-LSP加工的HEA整个表面硬层分布着大量SB，由于硬层和软层之间的不均匀性，这些SB从机械薄弱区成核，并在整个塑性变形过程中稳定演化。此外，硬层中的细化晶粒在塑性阶段产生塑性失稳，导致了侧向局部应力分量，多方向局部应力状态将激活更多滑移系统，增强梯度结构HEA的力学性能。（文：早早）

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