1. 简介

难熔高熵合金（RHEAs）和中熵合金（RMEAs）是高温应用的潜在候选材料；位错在这些合金的室温和高温塑性变形中起关键作用。然而，目前对其低温下微观结构与力学性能的温度依赖性关联理解仍存在显著不足，而这对评估其在变温条件下的服役性能和安全至关重要。

本研究探究了一种非等原子比 Ti_{48.9}Zr_{32.0}Nb_{12.6}Ta_{6.5} RMEA 在常温和低温下的力学性能及变形机制。拉伸测试揭示了有趣的温度依赖性行为：随温度降低，屈服强度增加，而均匀延伸率（UE）呈现异常的 U 形趋势。该 RMEA 在 293 K 下表现出良好的 UE（10.9%），但在 185 K 时 UE 骤降至 2.2%。然而，在 77 K 时 UE 达到峰值（17.2%），同时极限抗拉强度最高。这表明变形机制发生了转变。

微观结构分析表明，293 K 下显著的加工硬化源于丰富的位错相互作用及 {112} 孪晶。在 185 K 时，因位错活动受抑制导致加工硬化减弱，而扭折带缓解了脆性断裂倾向。77 K 下强加工硬化和 UE 的提升则归因于 {332} 变形孪晶产生的孪生诱导塑性（TWIP）效应。总之，本研究揭示了该 RMEA 的反常温度依赖性力学行为及相应变形机制的演化，为 RHEAs/RMEAs 在低温及变温环境下的合金设计和性能优化提供了关键见解。

2. 文章亮点

1. 揭示反常的均匀延伸率温度依赖性
首次在难熔中熵合金（Ti₄₈.₉Zr₃₂.₀Nb₁₂.₆Ta₆.₅）中发现均匀延伸率（UE）随温度降低呈U型变化：293 K时为10.9%，185 K骤降至2.2%，而77 K时升至峰值17.2%。这种非单调行为挑战了传统低温脆性认知。

2. 阐明变形机制的竞争性转变
通过微观结构分析，揭示温度调控的变形机制竞争：293 K时位错相互作用与{112}孪晶主导加工硬化；185 K时位错活动受抑制导致硬化减弱，扭折带缓解脆断；77 K时{332}变形孪晶触发TWIP效应，实现超高强度（1363 MPa）与UE协同提升。

3. 发现{332}孪晶-位错协同强韧化机制
在77 K超低温下，{332}孪晶不仅作为长程障碍阻碍位错滑移，其内部还通过位错缠结和跨孪晶界滑移传输（如K₂η₂系统）维持塑性变形。这种孪晶与位错的动态交互作用，为BCC合金低温强韧化提供了新路径。

3. 研究背景

为开发高温结构材料，并受高熵合金（HEAs）概念的启发，研究人员开发了具有体心立方（BCC）结构的难熔高熵合金（RHEAs）和中熵合金（RMEAs）。部分RHEAs（如NbMoTaW和VNbMoTaW）在高温下表现出高强度，但其室温（RT）低塑性和准解理断裂倾向阻碍了加工与应用。

均匀拉伸延性对结构材料的成形加工能力和服役安全性至关重要，而这又依赖于良好的应变硬化能力以实现均匀塑性变形。研究表明，螺位错主导RHEAs和RMEAs的滑移，且因高晶格摩擦作用呈直线状。平面滑移易导致局部变形，位错相互作用和增殖不足，应变硬化能力弱化，引发早期颈缩并损害塑性。

工程缺陷可通过影响位错运动和相互作用调控金属力学性能，改变位错分布和密度。此策略常涉及位错交割增殖以增强应变硬化，对特定合金的变形离域化尤为重要。因此，RHEAs和RMEAs研究主要聚焦于通过化学涨落/非均匀性或析出相定制位错。这些微观结构缺陷作为障碍分散位错，使其成为长程障碍并诱发应变硬化。

例如，时效形成的局部化学有序促进Ti50Zr18Nb15V12Al5的多滑移，提升强度和塑性；HfNbTiVAl10合金中的分级化学涨落贡献了超高拉伸延性；含2 at.%氧的TiZrHfNb RHEA中，有序氧复合物诱发平面滑移向波状滑移转变，相比基体合金强度和延性提升，氧掺杂TiZrNb RMEA亦有类似现象。强析出相亦可增韧RHEAs，如β’相显著增强Ti38V15Nb23Hf24 RHEA的力学响应；旋节分解形成的β相促进位错相互作用、增殖和积累，从而在Hf0.1Nb0.4Ti0.4V0.1 RHEA中实现应变硬化和塑性应变离域化；位错胞结构通过激活多滑移系和促进位错相互作用提升RHEA的拉伸延性。上述策略均旨在利用短程障碍、强析出相或胞状结构分散位错，其相互作用贡献了强应变硬化和塑性提升。

应力诱导马氏体（SIM）和变形孪晶作为位错滑移的长程障碍，可分别产生孪生诱导塑性（TWIP）和相变诱导塑性（TRIP）效应。SIM和变形孪晶易在β稳定性较低的BCC合金中形成：例如，传统β钛合金中，随β稳定剂含量降低，纯滑移、{112}孪晶、{332}孪晶和SIM依次出现。RHEAs和RMEAs中，Nb、Ta、V、Mo等为β稳定剂，而Ti、Zr、Hf则为β去稳定剂。基于β亚稳定性概念，通过向六方密排（HCP）Ti/Zr/Hf基体引入适量β稳定剂，可设计具有TRIP或TWIP效应的RHEAs/RMEAs。SIM α’（HCP）已在TiZrHfNbx（x=0.4,0.5,0.6）、TiZrHfNb0.2、77K变形的TiZrHfNb0.3Ta0.2、Ti50Zr30Hf10Nb10及Ti35Zr35Hf20Ta10合金中观察到；SIM α”（底心正交）则见于TiZrHfNb0.4、TiZrHfTa0.6、TiZrHfTa0.5 RHEAs及Hf20Nb10Ti35Zr35 RMEAs。近期RHEAs/RMEAs研究中变形孪晶报道较少，如77K变形的TiZrHfNbTa RHEA及室温变形的Ti48.9Zr32.0Nb12.6Ta6.5和VNbTi RMEAs观察到{112}孪晶；近期在室温变形的TiZrHfTa0.8 RHEA及77K变形的TiZrHfNb0.3Ta0.2、TiZrHfNb0.5,0.6 RHEAs中验证了{332}变形孪晶。相比以纯位错滑移为主的参比合金，展现TRIP或TWIP效应的合金通常具有更强的应变硬化能力和塑性。然而，位错与这些变形产物（马氏体/孪晶）间的相互作用鲜有研究。

除化学成分外，β稳定性亦随温度降低而减弱。因此，通过降温可实现RHEAs/RMEAs的变形机制从纯滑移向变形孪晶转变（伴随力学性能提升）。事实上，面心立方（FCC）HEAs中已观察到低温强化现象，归因于TWIP和/或TRIP效应的激活。滑移与孪生是竞争性塑性变形机制，降温因堆垛层错能（SFE）降低诱发滑移-孪生转变。FCC合金中，SFE与FCC相对于HCP结构的稳定性成正比。此角度下，FCC稳定性决定其主导变形机制，类似β稳定性在BCC合金中的作用。然而，RHEAs在深低温下的力学行为研究甚少，可能原因包括：多数RHEAs/RMEAs室温延性有限，且BCC晶体常见韧脆转变，致使其低温力学行为研究必要性降低。

RHEAs/RMEAs的深低温力学行为对其低温加工及极端工况应用至关重要。例如，太空探索和超导等场景中材料会经历剧烈温变。因此，理解深低温下力学行为及变形机制的转变，对优化RHEAs/RMEAs在深低温及变温环境中的性能至关重要。然而，这些合金中可能随温度变化呈现多种竞争性变形模式的机制转变尚未得到充分关注。

4. 图文解析

5. 文章结论

本研究系统探究了一种非等原子比 Ti₄₈.₉Zr₃₂.₀Nb₁₂.₆Ta₆.₅ 难熔中熵合金（RMEA）在常温和低温下的力学行为及变形机制。主要结论如下：

1. 反常均匀延伸率（UE）的温度依赖性：
   该 RMEA 的均匀延伸率随温度降低呈现独特的 U 形变化趋势：在 293 K 时为 10.9%，在 185 K 时骤降至 2.2%，而在 77 K 时达到峰值 17.2%。同时，其极限抗拉强度（UTS）在 77 K 时最高（1363 MPa）。断裂延伸率（ETF）在不同温度下保持相对稳定（约 25%）。这种异常行为源于变形机制随温度的转变。

2. 293 K 的变形机制：位错相互作用与{112}孪晶主导应变硬化：
   在 293 K 下，变形主要由丰富的位错滑移及其相互作用主导，同时伴有{112}变形孪晶的形成。这些位错相互作用和孪晶作为障碍阻碍位错运动，提供了显著的应变硬化能力，确保了良好的均匀延伸率和断裂延伸率。颈缩后形成的扭折带进一步延长了颈缩过程。

3. 185 K 的变形机制：位错活动受抑制与扭折带软化：
   在 185 K 下，位错活动因低温下热激活不足而受到显著抑制，表现为低密度、短尺寸的位错，导致位错相互作用稀少。这造成了应变硬化能力急剧减弱，引发早期颈缩，均匀延伸率降至最低（2.2%）。此时，主要的变形产物是扭折带。扭折带通过晶体旋转使材料局部软化，无法提供有效应变硬化，反而可能降低流变应力。然而，扭折带通过缓解局部应力集中、促进位错滑移和容纳高局部应变，延长了颈缩过程，从而维持了较高的断裂延伸率（25.6%）。低温下β稳定性降低本应促进变形孪晶，但较低的流变应力和扭折带对局部应力的缓解抑制了{112}或{332}孪晶在 185 K 下的形成。

4. 77 K 的变形机制：{332}孪晶诱导塑性（TWIP）效应与位错协同作用：
   在 77 K 的超低温下，β稳定性进一步降低，主导变形机制转变为{332}变形孪晶。这些孪晶作为长程障碍，有效阻碍了基体中的位错滑移，导致显著的应变硬化，从而实现了最高的均匀延伸率（17.2%）和极限抗拉强度。此外，孪晶内部也通过位错滑移发生塑性变形：一方面，孪晶界处的应力集中可诱发位错在孪晶内形核，形成缠结位错结构；另一方面，特定的滑移系统（如 K₂η₂ = {112}）允许位错跨孪晶界传递（位错传递）。这种孪晶与位错的协同作用（TWIP 效应与位错积累）是 77 K 下实现超高强度和优异塑性的关键。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104245