1. 简介

本研究探究了一种新型高熵合金（HEA）Fe₃₅Mn₃₅Co₁₀Cr₁₀Ni₁₀（原子百分比）在室温（RT）和-100°C下的层错能（SFE）、变形行为及拉伸性能。通过电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析了拉伸加载过程中变形亚结构的演变。随着温度从室温降至-100°C，合金的滑移模式从完全波浪状转变为完全平面状。研究合金仅在-100°C变形时出现变形孪晶，而室温变形时则未观察到。通过TEM弱束暗场（WBDF）技术测量了-100°C下合金的SFE，结果为~34.2（±4）mJ/m²。室温下因部分位错间距过小（可能由于SFE极高），无法通过WBDF技术有效分离，故未估算其SFE值。研究表明，在无明显短程有序且剪切模量相近的HEA中，摩擦应力的作用有限，而SFE是决定滑移模式的主要因素。-100°C下平面滑移诱导的泰勒晶格、微带和孪晶等位错特征激活，提供了更强的加工硬化能力，从而使其拉伸性能优于室温。

2. 文章亮点

1. 新型高熵合金的层错能与变形行为关联性验证
通过实验首次证实了Fe₃₅Mn₃₅Co₁₀Cr₁₀Ni₁₀高熵合金在-100°C下的层错能（SFE）为~34.2 mJ/m²，并揭示了SFE从室温（>50 mJ/m²）到低温的降低直接导致滑移模式从波浪状向平面状转变及孪晶激活，为HEAs中SFE-变形机制关系提供了直接证据。

2. 温度诱导变形机制转变提升力学性能
研究发现低温（-100°C）下平面滑移诱导的泰勒晶格、微带和孪晶协同作用，显著增强加工硬化能力，使合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别提升1.5倍、1.4倍和1.65倍，突破了传统高熵合金强度-塑性权衡难题。

3. 摩擦应力与SFE作用的明确区分
通过对比Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀等参考合金，证实了在无明显短程有序和相近剪切模量的HEAs中，摩擦应力对滑移模式影响有限，SFE是主导因素，澄清了HEAs变形机制争议，为成分设计提供了理论依据。

3. 研究背景

高熵合金（HEAs）因其独特的合金化理念和广泛的工程应用潜力，近年来受到研究界的广泛关注。其核心设计理念为探索近乎等原子比例的多组元合金，仅考虑38种过渡金属时，五组元等比例组合的可能性即达501,942种；若按HEAs定义（组元含量5-35 at.%且包含周期表所有元素），可能的合金组合更趋无限。HEAs的四大核心效应（高熵效应、晶格畸变效应、扩散迟滞效应和鸡尾酒效应）直接影响其微观结构与力学性能，这为开发具有优异性能的新合金提供了巨大空间。

在结构材料领域，面心立方（FCC）HEAs（如Cantor合金FeMnCoCrNi）展现出卓越性能，尤其在低温环境下：77K时抗拉强度>1 GPa，断裂韧性>200 MPa·m¹/²（裂纹起始）和~300 MPa·m¹/²（稳定扩展）。此类性能提升归因于变形过程中多种硬化机制的激活，如77K下纳米孪晶的形成。例如，等原子CoCrNi合金因更早形成变形纳米孪晶，其室温至77K的力学性能甚至优于Cantor合金，20K时裂纹起始断裂韧性高达459 MPa·m¹/²。此外，铁基FCC中熵合金（MEA）通过TRIP效应（γ→ε和γ→α相变）与剪切带协同作用，实现了~1.5 GPa的低温强度与87%的延伸率。近期研究还表明，通过调整NiCoCrFe(Ti,Al)基MEA的成分可调控位错滑移模式（波浪状→平面状），从而同步提升强塑性。

SFE是调控传统FCC合金（如TWIP钢、奥氏体不锈钢）变形机制的核心参数：SFE45 mJ/m²则以位错滑移为主。然而，HEAs/MEAs中SFE与变形行为的关联尚未明确，且基于第一性原理计算的“负SFE”概念（如Cantor合金在0K时为−50 mJ/m²）与实验观察（4.2K变形后仍无HCP相）存在矛盾。计算误差可能源于温度效应、原子弛豫及磁相互作用等未被充分考虑，因此需通过实验测定SFE并验证其与变形行为的关系。

本研究以Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀合金为参照，通过添加10 at.% Ni设计出新HEA（Fe₃₅Mn₃₅Co₁₀Cr₁₀Ni₁₀），采用透射电镜弱束暗场（WBDF）技术测定−100°C下的SFE（~34.2±4 mJ/m²），并系统分析其室温与低温变形行为差异，阐明SFE对滑移模式（室温波浪状→低温平面状+孪晶）及力学性能的影响机制。

4. 图文解析

5. 文章结论

本研究通过实验测定了一种新型高熵合金Fe₃₅Mn₃₅Co₁₀Cr₁₀Ni₁₀在−100°C下的层错能（SFE）为~34.2 (±4) mJ/m²，并系统分析了其室温（RT）与低温下的变形行为及拉伸性能差异。研究揭示了温度变化对合金变形机制的显著影响：室温下表现为完全波浪状滑移，而−100°C时则转变为完全平面滑移并伴随变形孪晶的激活。这种转变直接归因于SFE随温度降低而减小，导致位错运动模式从多滑移系激活（高SFE）向受限滑移系（低SFE）转变。

通过对比Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀参考合金，本研究明确了在无明显短程有序（SRO）且剪切模量相近的高熵合金中，摩擦应力对滑移模式的影响有限，而SFE是主导因素。−100°C下平面滑移诱导的泰勒晶格、微带和孪晶等亚结构的形成，显著提升了合金的加工硬化能力，使其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到室温的1.5倍、1.4倍和1.65倍。此外，透射电镜弱束暗场（WBDF）技术成功测定了低温下的SFE，而室温下因部分位错间距过小（推测SFE>50 mJ/m²）未能实现有效测量。

这些发现不仅验证了SFE与变形行为的直接关联性，还为高熵合金的设计提供了重要指导：通过调控SFE可优化变形机制组合，从而同步提升强塑性。未来研究需进一步探索更宽温度范围内SFE的精确测定方法，以及摩擦应力在复杂成分合金中的作用机制。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145522