1. 简介

多主元合金（MPEAs）或高熵合金（HEAs）代表了结构合金设计的新范式，其通过五种或更多元素的等摩尔或近等摩尔比例组合，展现出优异的机械性能和潜在的弹道性能。

本文研究了具有独特双峰微观结构的Al_0.3CoCrFeNi合金在准静态、动态及弹道应变速率下的力学响应。准静态变形后的微观结构以高度变形晶粒为主；动态应变速率下观察到高密度变形带，但未出现绝热剪切带、裂纹或孪晶迹象。弹道冲击测试通过以1066至1465 m/s的速度发射6.35 mm碳化钨弹丸撞击12 mm厚板材进行，变形后的微观结构以绝热剪切带、剪切带诱导裂纹、微带及动态再结晶为主导。该合金优异的弹道性能归因于其双峰微观结构、纳米级L₁₂析出相和晶界B2析出相。准静态和动态应变速率下的变形机制主要表现为广泛的位错滑移和低密度堆垛层错；而弹道应变速率下则以晶粒旋转、L₁₂相无序化和高密度堆垛层错为特征。

2. 文章亮点

1. 双峰微观结构设计
通过热机械加工获得由粗大变形晶粒和细小再结晶晶粒组成的双峰结构，结合纳米级L₁₂析出相和晶界B2析出相，显著提升合金的强度与延展性协同效应。

2. 优异的弹道抗冲击性能
在1066–1465 m/s弹速冲击下，合金通过绝热剪切带、动态再结晶等机制吸收能量，硬度提升近2倍（3.5 GPa→6.8 GPa），且未出现脆性断裂，优于同类Al_xCoCrFeNi合金。

3. 应变速率敏感的变形机制
准静态/动态应变下以位错滑移为主，弹道应变下转变为晶粒旋转和L₁₂相无序化，高应变速率敏感性（SRS=0.2）源于位错-声子拖曳效应，抑制局部剪切失效。

3. 研究背景

多主元合金（MPEAs）或高熵合金（HEAs）通过五种及以上元素的等摩尔或近等摩尔比例组合，为结构合金设计提供了新范式，展现出优异的力学性能和潜在的弹道性能。Al_xCoCrFeNi合金因其铝含量微调即可获得从单相到多相固溶体的多样化微观结构，成为研究模型体系。其中，Al_0.3CoCrFeNi（x=0.3）在铸态下为单相面心立方（FCC）结构，经热机械加工后可析出B2和L1₂金属间相，通过Hall-Petch和析出强化机制实现卓越的力学性能。

现有研究多聚焦于单相HEAs的变形机制，但对成分与微观结构复杂合金的应变速率依赖性缺乏系统分析。低层错能（SFE）HEAs的变形机制随应变速率升高可能从位错主导转变为孪生诱导塑性，但应变速率在10³–10⁵ s⁻¹范围内（如弹道冲击）的微观结构演化尚不明确。

本文研究了热机械加工的Al_0.3CoCrFeNi HEA在宽应变速率范围内的响应。该合金具有独特的双峰微观结构，由含纳米级L1₂析出相的FCC基体和晶界B2析出相组成。通过准静态拉伸/压缩、分离式霍普金森压杆（SHPB）实验和弹道冲击测试，结合微观结构表征，系统揭示了不同应变速率下的变形机制与失效模式。

4. 图文解析

5. 文章结论

综上所述，本研究系统表征了Al_0.3CoCrFeNi高熵合金在宽应变速率范围（包括准静态变形、分离式霍普金森压杆测试和弹道冲击）下的微观结构特征与力学响应。该合金通过双峰微观结构、FCC基体中的纳米级L1₂相以及晶界B2析出相，展现出优异的强度-延展性协同效应，并具有高应变速率敏感性。准静态和动态应变速率下的微观结构表现为高度变形晶粒和变形带，动态应变速率下仅观察到低密度堆垛层错，且未出现剪切局部化或孪晶迹象。这种剪切局部化的抑制归因于合金出色的应变硬化能力。

弹道冲击中，靶材通过韧性孔洞扩展模式失效，变形后的微观结构以绝热剪切带（ASB）、ASB诱导裂纹、微带及ASB附近动态再结晶的超细晶粒为特征。纳米压痕硬度图谱显示，变形区域的硬度（~6.8 GPa）较未变形区域（~3.5 GPa）提升近两倍，且硬度在平行于弹坑壁的区域最高，入口和出口区域因剧烈塑性变形达到峰值硬度。弹道冲击后的合金微观结构表现出高密度位错、大量堆垛层错、晶界旋转以及L1₂相的有序性丧失。

这些发现为理解复杂成分与微观结构的高熵合金在高应变速率下的变形机制与失效模式提供了重要依据，并展示了其在抗冲击应用中的潜力。

全文链接

https://doi.org/10.1038/s41598-021-02209-y