本文报道了一种通过直接铸造方法制备的新型无钴高熵合金——FeNi0.9Cr0.5Al0.4。该合金的突出特点在于，无需任何后续热机械加工，在铸态下就同时具备了高强度、高延展性和优异的应变硬化能力，成功克服了传统铸造金属常见的强度-塑性难以兼得的难题。研究的核心创新点在于其独特的纤维状异质微观结构。合金凝固后形成了一种“软纤维包裹硬壳”的复合结构：富含Fe、Ni、Cr的软质面心立方（FCC）相以纤维形式存在，而富含Al、Ni的硬质有序体心立方（B2）相则作为纳米尺度的壳层包裹在纤维周围。这种精巧的微观设计是卓越力学性能的结构基础。
这项工作不仅开发出一种具有直接工程应用潜力的高性能低成本合金，更展示了通过巧妙的成分与凝固过程设计，在传统铸造工艺中直接获得异质结构，是实现金属材料性能突破的有效途径，为未来开发先进金属材料提供了新的思路。
DOI:10.1016/j.scriptamat.2023.115421
图1通过XRD、SEM和TEM等手段系统表征了FeNi0.9Cr0.5Al0.4高熵合金的凝固组织。XRD结果显示合金主要由FCC相、无序BCC（A2）和有序BCC（B2）相组成。SEM和TEM图像揭示了一种独特的纤维状异质结构：软质FCC相以纤维形式存在，被纳米尺度的B2相硬壳包裹。此外，还存在少量由A2基体和B2析出相组成的次生区域。EDS元素分布图进一步确认了Al、Ni在B2壳层中富集，而Fe、Cr、Ni主要分布在FCC纤维中。该结构为后续优异的力学性能提供了微观基础。
图1 铸态FeNi0.9Cr0.5Al0.4合金的微观结构。
(a) XRD 图谱，(b) 具有代表性的高倍背散射电子图像，插图为垂直于纤维长度方向拍摄的放大 BSE 图像，(c) 低倍 BSE 图像，(d) 平行于纤维长度方向拍摄的明场 TEM 图像，(e) 垂直于纤维长度方向拍摄的明场 TEM 图像，(f1–f4) 细纤维、纤维壳、析出相以及次生区域基体的选区电子衍射花样，(g) Al、Cr、Fe、Ni 元素的 HAADF-STEM 图像及 EDS 元素分布图
图2展示了合金在室温下的单轴拉伸应力-应变曲线和应变硬化率曲线。合金表现出优异的强度-塑性匹配：屈服强度约670 MPa，抗拉强度约1196 MPa，均匀延伸率达21.1%。真实应力-应变曲线进一步显示其高应变硬化能力。应变硬化率曲线分为三个阶段，表明在变形过程中存在显著的位错积累和界面阻碍效应，尤其是在第二阶段（3.5%–18.3%应变），应变硬化率缓慢下降，反映了纤维-壳层界面对的位错运动的强烈阻碍作用。
图2 铸态FeNi0.9Cr0.5Al0.4合金在室温下的拉伸性能。
(a) 具有代表性的单轴拉伸应力-应变曲线，(b) 应变硬化率与真实应变曲线
图3通过TEM观察了合金在不同应变下的位错结构演变。在低应变（~1.3%）时，位错主要在软FCC纤维中启动；随着应变增加（~3.5%），FCC纤维中位错密度显著升高并在FCC/B2界面处堆积，B2壳层中也开始出现位错。至高应变时，FCC纤维和B2壳层内部均积累了高密度位错，且可见位错穿越相界，说明两相实现了协同塑性变形。次生BCC/B2区域在后期也参与塑性变形，进一步增强了应变硬化能力。
图3 铸态高熵合金在不同应变下的TEM图像。
(a) 真实应变约 1.3% 时中断拉伸试样的位错分布，(b, c) 真实应变约 3.5% 时中断拉伸试样的位错分布，(d-f) 断裂试样的位错分布
图4通过加载-卸载-再加载（LUR）实验量化了异质变形诱导（HDI）硬化效应，显示HDI应力在变形过程中持续上升，贡献显著高于有效应力，说明HDI硬化是主要强化机制。图4c和4d将本合金与文献中其他铸态高熵合金进行对比，表明FeNi0.9Cr0.5Al0.4在强度和延伸率方面均优于多数已报道合金，同时原材料成本更低，体现了其在高性能低成本结构材料方面的潜力。
图4 (a) 加载-卸载-再加载（LUR）拉伸应力-应变曲线，(b) 变形过程中测得的 HDI 应力和有效应力，(c) FeNi0.9Cr0.5Al0.4合金的极限抗拉强度与延伸率的关系，并与文献中报道的其他铸态高熵合金进行比较，(d) FeNi0.9Cr0.5Al0.4合金的极限抗拉强度与原材料成本的关系，并与其他铸态高熵合金进行比较。
本文源自微信公众号：中材新材料
原文标题：《《JAC》：通过调控非等原子CoVFe中熵合金中L12纳米析出相实现高应变硬化能力！|| 中材检测助攻！》
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