1. 简介
本研究基于异质结构强化原理，设计了一种具有低层错能和高强度的Co30Cr20Fe18Mn18Ni11Si3高熵合金（HEA）。通过加工处理，该合金形成了包含多级孪晶的多尺度异质微观结构。在77 K低温下，该合金表现出优异的力学性能：屈服强度达1500 MPa，极限抗拉强度达1750 MPa，延伸率为20%。这些性能优于文献报道的大多数面心立方（FCC）高熵合金，突破了传统金属合金强度与塑性的权衡关系。
这种卓越的力学性能归因于其适中的应变硬化能力，源于拉伸变形过程中异质变形诱导硬化（HDI）、孪生诱导塑性（TWIP）以及变形诱导相变的协同效应。
2. 文章亮点
1. 低层错能合金设计
通过Si替代Ni降低Co30Cr20Fe18Mn18Ni11Si3高熵合金的层错能至9.5 mJ/m²，促进变形孪晶和部分位错的形成，为协同提升强度与塑性奠定基础。
2. 多尺度异质结构调控
采用冷锻和退火工艺构建包含微米级晶粒、纳米级孪晶的层级异质结构，通过异质变形诱导硬化（HDI）贡献60.6%的屈服强度，突破强度-塑性权衡。
3. 低温协同变形机制
在77 K下激活孪生诱导塑性（TWIP）、位错滑移和9R相变的协同效应，实现1500 MPa屈服强度、1750 MPa抗拉强度及20%延伸率的优异低温性能。
3. 研究背景
2004年，叶等人提出了一种新型合金设计理念，即使用等原子或近等原子比例的多元素形成单相合金，称为高熵合金（HEAs）。该设计理念为合金提供了巨大的成分空间，并有望最大化固溶强化的效果。目前，开发的大多数HEAs为单相面心立方（FCC）和体心立方（BCC）合金。通常，BCC HEAs强度较高但塑性较差，而FCC HEAs塑性较好但强度较低。在FCC HEAs中，CrCoFeNi基合金表现出最佳的综合性能，在室温和低至液氦温度的低温下均具有最高的抗拉强度、延伸率和断裂韧性。例如，等原子CoCrFeNiMn HEA在77 K下的屈服强度为750 MPa，延伸率约70%，断裂韧性约220 MPa·m^(1/2)。
尽管强度显著提升，但根据物理冶金学的基本原理，仍有改进空间。这可以通过常见的强化方法实现，如位错强化、晶界强化和析出强化。然而，这些方法在提高强度的同时会牺牲塑性和韧性，即所谓的强度-塑性权衡现象。这显然削弱了FCC HEAs的优势，亟需解决方案以克服上述问题。
通常，合金塑性损失的原因有两种：若合金对位错运动的阻力过高，会迅速硬化至断裂强度，导致低塑性变形下的脆性断裂；若阻力过低，塑性变形会以不可控方式发生，导致过早颈缩断裂。因此，实现强度与塑性良好组合的关键在于具有适中的应变硬化率——既不会因过高而阻碍位错运动并快速达到断裂强度，也不会因过低而导致应变局部化和颈缩（根据Considère准则）。
一种可行的方法是通过引入高密度孪晶或变形诱导相变，确保晶体学变形机制不依赖位错。这种机制的微应变受晶格畸变限制，可防止“失控”塑性变形和颈缩，同时避免位错增殖导致的过度应变硬化。通过降低合金的层错能以促进不全位错的形成，可实现这一目标。例如，Wei等人通过增加Co含量、降低Ni和Fe含量，设计了一系列低层错能FCC HEAs。典型应用包括钢中的孪生诱导塑性（TWIP）和相变诱导塑性（TRIP）。
通过引入多尺度层级异质结构可进一步优化孪晶的益处。异质结构（如晶粒/孪晶梯度结构、双峰晶粒结构、层状晶粒结构及双相/多相结构）已知可提升强度-塑性性能，通常称为异质变形诱导（HDI）硬化。例如，异质双相结构的Co34.46Cr32.12Ni27.42Al3Ti3 HEA的屈服强度提高了60%至800 MPa，且塑性未显著降低。
基于上述理念，本研究通过在Co30Cr20Fe18Mn18Ni14合金中用Si替代Ni，降低层错能并促进固溶强化。非等原子Co30Cr20Fe18Mn18Ni14合金的层错能低于其等原子 counterpart。图1(a)展示了Co30Cr20Fe18Mn18Ni14-xSix（at.%）HEA体系的平衡相图，计算表明Si含量为3 at.%时可保持单相FCC结构。
4. 图文解析
(a) Co30Cr20Fe18Mn18Ni14-xSix (at.%) HEA体系随Si含量的平衡相图。(b) Co30Cr20Fe18Mn18Ni11Si3合金随温度的平衡相图。(c) FA-1000状态下Co30Cr20Fe18Mn18Ni11Si3的XRD图谱。(d) EBSD取向图，插图为取向颜色编码的反极图。(e) FA-1000合金的TEM图像，插图为该区域的SAED衍射花样，标定为(111)[112]孪晶。(f) FA-1000合金在4%拉伸变形后的衍射对比-STEM图像，显示解离位错，插图为解离位错的放大视图。
(a) FAF-620合金热机械处理工艺示意图。(b) 样品的EBSD显微图。(c) 包含退火孪晶和变形孪晶区域的TEM图像，插图为[011]晶带轴的SAED衍射花样，显示FCC结构及(111)[112]和(111)[112]孪晶。(d) 变形纳米孪晶的高分辨(HR)TEM图像。(e) 通过EBSD和TEM确定的等轴晶、退火孪晶（厚度）和变形孪晶（厚度）的尺寸分布。
(a) 拉伸工程应力-应变曲线，插图为77 K拉伸断裂后的SEM图像。(b) 对应的真实应力（虚线）和应变硬化率（实线）曲线。(c) FAF-620合金与其他合金在298 K下的屈服强度和均匀延伸率对比。(d) FAF-620合金与其他合金在77 K下的屈服强度和均匀延伸率对比。
(a) ~4%应变时的STEM图像。(b) 7%应变时的STEM图像。(c) 10%应变时的DF-TEM图像。(d) ~12%应变时的HAADF-STEM图像。(e) ~15%应变时的HRTEM图像。(f) 图4(e)中“9R”区域的FFT花样，标定为[011]晶带轴的9R结构。(g) 包含9R相区域的HRTEM图像。(h) 9R相的原子分辨率HAADF-STEM图像，黄色线条和三色点标记了ABC-BCA-CAB堆垛序列。(i) ~17%应变时的暗场TEM图像，插图为原子分辨率HAADF-STEM图像。
5. 文章结论
本研究设计了一种具有低层错能的Co30Cr20Fe18Mn18Ni11Si3高熵合金（HEA），通过冷加工促使其形成层级异质孪晶结构。Si替代Ni使合金的层错能降至9.5 mJ/m²，较无Si合金降低了41%。该合金在77 K下表现出优异的力学性能：屈服强度达1500 MPa，极限抗拉强度达1750 MPa，延伸率为20%，其强度较同类高性能合金提升约300 MPa的同时保持了相当的塑性。
合金的多阶段应变硬化行为归因于层级异质孪晶结构在变形过程中逐步激活的不同机制。具体而言：
-
初始阶段（~4%应变）以位错滑移和孪生为主，位错在退火孪晶和变形孪晶界处塞积，导致基体硬化； -
中间阶段（~7-10%应变）位错通过交滑移穿越孪晶界，同时纳米孪晶密度增加，孪晶间距减小，产生孪生诱导塑性（TWIP）效应； -
后期阶段（~15%应变后）在孪晶界附近形成高应变（25.1-29.8%）的9R相，其ABC-BCA-CAB堆垛序列通过∑3{112}非共格孪晶界解离形成，进一步阻碍位错运动并促进位错累积。
这种多尺度异质结构（从微米级晶粒到纳米级孪晶和9R相）与低层错能的协同作用，使合金在超高强度下仍能通过渐进式变形机制维持均匀塑性，突破了传统金属材料的强度-塑性权衡限制。研究结果为设计兼具超强韧性的低温结构材料提供了新思路。
全文链接
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115809
本文源自微信公众号：科学拾光
原文标题：《北工大《Scripta Mater》突破：低层错能+多尺度异质结构实现高熵合金低温强塑性双赢》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/LS881sUiJpK6rw1JAqQIVA
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