TEM案例分享-如何表征高熵合金中的非均相组织

高熵合金(HEAs)得益于近等原子比或非等原子比的几乎无限组合，使其拥有优异的力学性能，具有很大的应用潜力，特别是面心立方高熵合金（FCC HEAs），具有优异的抗损伤性，优异的强度-塑性组合，和高断裂韧性。

对于FCC HEAs而言，在细晶材料中加入非均相纳米沉淀物和纳米孪晶是提高强度和韧性的最有效手段之一。不过，过高密度的纳米析出物有时不能产生期望的强化效果，同时也会影响强度-延展性平衡，所以控制纳米析出物的体积分数也很重要。

在本研究中，我们对低温变形加工的FCC基FeCoCrNiMo0.2高熵合金进行了高温短时退火处理，以获得非均相纳米析出相和纳米孪晶的双重强化。先做均匀化处理，再进行低温轧制(CR，77K)，最后高温退火(1000℃/0.5h)，得到了非均相纳米析出物和纳米孪晶双重异质结构，具有强大的强化和增韧效果。

本论文采用了TEM和EBSD来对合金微观结构进行表征。

下图用EBSD表征了轧制前的均匀化处理样品，和轧制+退火后的样品的微观组织。均匀化处理后的样品的晶粒较粗大，且没有孪生。而轧制+退火后呈现细小等轴晶粒。图e为KAM图，可看出KAM值较低，说明退火降低了位错密度。另外图e中的红色标记为Σ3孪晶界，图中展示了合金中存在高密度的退火孪晶。

接下来用TEM来更直观地表征轧制+退火后样品组织的微观状态，如下图。图a展示了样品的位错密度较低，其中虚线框是孪晶界部分，其放大图如图b所示，红色箭头标示了共格孪晶界之间的一个跃阶，即为非共格孪晶界。与共格孪晶界相比，非共格孪晶界具有更好的强化效果。图b中的小图展示了[011]带轴的选区衍射的标定结果，证明了界面两侧结构确实为孪晶关系。

此外，在轧制+退火样品中还发现了第二相析出，如下图。图a的选区电子衍射表明析出物为σ相。蓝色圈表示出了纳米级的析出物。这些σ相和纳米级析出物的存在阻碍了晶粒长大和位错滑移，提高了合金的强度。EDS成分分析表明，σ相富含Cr、Mo，而Fe、Co、Ni较少。

在σ析出相中，还观察到了类似于纳米孪晶的形貌，如下图的图a和图b。图c的HRTEM可以看到晶格结构，证实了σ相纳米孪晶的存在。

本研究还讨论了化学短程有序结构（CSRO）对高熵合金的影响，还讨论了合金的强化机制，此处不再详述。

经过一系列表征与分析，论文得出结论如下：

1.  与均匀化合金相比，轧制+退火合金在不牺牲延性的情况下，屈服强度提高了24%。这得益于由细小晶粒、纳米级σ相和高密度退火孪晶组成的非均相组织。

2.  σ析出与FCC基体形成的非均相结构导致界面处位错积累，形成非均质变形诱导强化(HDI)效应。同时，高密度的退火孪晶和层错为位错运动提供了额外的障碍，提高了合金的强度和塑性。

3.  此外，轧制+退火合金中的化学有序结构(COS)、有序L12相和63型拓扑密堆积相(TCP)可以由位错分隔开而形成反相畴界(APB)，提高应变硬化能力。