Mater. Sci. Eng. A：强度和延展性完美结合的FCC高碳高熵合金

【引言】

近年来，高熵合金因其作为高性能结构材料的潜在应用而备受关注。FCC（面心立方）结构的高熵合金具有较好的塑性和低温断裂韧性，是目前广为研究的合金之一。然而，此类合金的室温强度相对较低（铸态下大约只有200MPa），远低于金属结构材料所要求的强度。低强度这一缺点，阻碍了其作为一种实用型结构材料的应用。传统的金属强化机制，如细晶强化，析出强化等，可以提高合金强度，但同时降低了其塑性。近期，研究人员发现，间隙原子强化可以为改善机械性能提供另一种途径。因此，本文选择FCC结构的孪晶诱导塑性（TWIP）高熵合金作为起始材料，在此基础上添加碳组分，对其机械性能进行系统的研究。

【成果简介】

最近，西安交通大学的江峰教授（通讯作者）等人在Mater. Sci. Eng. A上发表题为“Heavy carbon alloyed FCC-structured high entropy alloy with excellent combination of strength and ductility”的文章。研究团队对成分为(Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀)₁₀₀-xC_x (x = 0, 2.2, 3.3,4.4, 6.6 and 8.9 at.%)的铸态高熵合金进行研究。结果表明，高含量的间隙碳原子通过抑制位错运动以及促进形变诱导孪晶过程，能够显著合金的强度和韧性。

【图文导读】

图1. 不同碳含量的Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金的X射线衍射图

(a) 不同碳含量的XRD图谱，均为FCC单相

(b) 碳含量对高熵合金晶格常数的影响

图2. Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金的显微形貌

(a) 不同碳含量的Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金的背散射图，插图对应高倍率下的形貌

(b) C6.6和C8.9高熵合金中碳化物的EDS能谱

表1. 不同碳含量的Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金的机械性能

图3.工程应力应变曲线及其分析

(a) 不同碳含量的Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金的典型工程应力应变曲线

(b) 屈服强度、抗拉强度、硬度以及断裂延伸率与碳含量的关系

(c) 初始样和C0、C3、C4三个拉伸断裂样品的形状比较

(d) C0、C2.2、C3.3、C4.4样品的应变强化率随应变的变化曲线

图4.不同碳含量Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金的断口形貌

(a)、(b)分别是C0高熵合金的断口表面形貌的低倍图和高倍图

(c)、(d)分别是C3.3高熵合金的断口表面形貌的低倍图和高倍图

(e)、(f)分别是C4.4高熵合金的断口表面形貌的低倍图和高倍图

(g)、(h)分别是C8.9高熵合金的断口表面形貌的低倍图和高倍图

图(a)、(c)、(e)、(g)中的黑色点线表示断裂表面的轮廓，每个样品的截面收缩率（RA）和断裂延伸率也列在图中

图5. 高熵合金断裂截面附近的物相及显微组织分析

XRD图谱、EBSD相分布图以及反极图(IPF) 显示了C0高熵合金(a)和C3.3高熵合金(b)断裂后截面附近的微观组织。

图6. C3.3高熵合金20%真实应变后变形孪晶的表征

(a)透射电子显微镜(TEM)下的暗场像

(b)对应于图(a)的选区衍射花样

图7. 铸态和固溶态C3.3高熵合金的工程应力应变曲线及微观组织分析

(a) 铸态和固溶态(re-processed)C3.3高熵合金以及铸态C0高熵合金的工程应力应变曲线

(b) 固溶态C3.3合金的背散射图和EDS能谱

图8.高碳高熵合金和各种钢的断裂伸长率及极限抗拉强度的比较

红色方块表示铸态和固溶态C3.3高熵合金的机械性能

【小结】

本文系统研究了碳对Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金微观组织和机械性能的影响。高碳合金（大约3.3 at.%）在提高屈服强度的同时也提高了极限抗拉强度以及塑性。这是因为间隙碳原子能够抑制位错运动并促进高熵合金中的变形诱发孪晶的发生。铸态和固溶态的(Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀)_96.7C_3.3高熵合金的综合机械性能优于大多数的高熵合金和金属材料。此研究为开发高性能高熵合金提供了新的思路。

文献链接：Heavy carbon alloyed FCC-structured high entropy alloy with excellent combination of strength and ductility (Mater. Sci. Eng. A, 2018, DOI: 10.1016/j.msea.2018.01.045 )

本文由材料人编辑部史秀丽编译，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！