Nat. Commun.: 调控高熵合金的不均匀性以促进强度-韧性协同效应

【引言】

金属及合金是加工领域和工程承载应用的重要材料。对于这类结构材料，室温条件下的强度和韧性是两个基本力学性质。屈服强度是材料开始塑性形变的应力，代表材料发生宏观永久形变的应力上限。韧性则是材料在屈服之后以及断裂之前塑性形变的能力，通常用非轴向拉伸测试中失效的延伸率来表达。足够高的韧性形变率对于金属加工中保证均匀形变十分重要。普遍的关注点是如何尽可能多地提高屈服强度，同时使韧性损失量尽可能少，保持较高的韧性应变值。这一目标极具挑战性，因为合金材料的韧性和强度往往存在着 “折中(trade-off)”关系。

【成果简介】

近日，美国约翰霍普金斯大学的马恩教授和中科院力学所的武晓雷研究员（共同通讯作者）在Nature Communications上发表了题为“Tailoring heterogeneities in high-entropy alloys to promote strength–ductility synergy”的综述文章。高熵合金和传统合金相比，具有多种主要元素，其强度比传统固溶体要高很多，因为多种成分会产生崎岖的势能图景(rugged energy landscape)，提高位错移动所受的阻力，也可以阻碍其他不均匀性。此外，高熵合金中纳米结构的不均匀性多种多样。本篇综述回顾了多组元合金中多种层次的不均匀性导致晶格摩擦和背应力(back stress)强化，作为超越现有基准范围的实现强韧性协同作用的主要策略。

【图文导读】

图1：屈服强度与均匀拉伸应变的关系图。

图2：高度不均匀的高熵合金显微结构示例。

(a)多组元金属间纳米颗粒强化的FCC型 (FeCoNi)₈₆- Al₇Ti₇ (Ll₂)高熵合金；

(b)不均匀晶粒结构的CrCoNi中熵合金；

(c)相变诱导塑性（TRIP）双相Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金；

(d)具有有序LI₂夹杂物和无序FCC基底的Al₅Cr_0.9FeNi_2.5V_0.2高熵合金；

(e)双相共晶层状AlCoCrFeNi₁高熵合金；

(f)富Al-Ni基底和富Cr-Fe薄板状夹杂的Al₃CoCrCuFeNi高熵合金；

(g)BCC单相TiZrHfNb高熵合金；

(h)不均匀晶粒结构高熵合金的层状特征，包含大尺寸的部分再结晶晶粒和小尺寸的完全再结晶晶粒。

图3：FCC基高熵合金中屈服强度和均匀拉伸应变的关系图（涵盖四种显微结构）。

图4：室温条件下高熵合金/中熵合金的加载-卸载-再加载拉伸应力应变测试的滞回曲线。

图5：应变强化响应：FCC高熵合金的归一化应变强化速率和真实拉伸应变的关系曲线。

图6：BCC高熵合金中观察到的屈服强度和均匀拉伸应变关系图。

图7： 近期报道的用TRIP或TWIP促进应变强化的多主元钢中观察到的屈服应力与均匀拉伸应变的关系。

图8：FCC晶格中的位错迁移。

(a)FCC -NiCoCr中熵合金随机固溶体中的Wavy位错线；

(b)FCC Cu的长位错线作为整体从某个Peierls谷中向下一个行进的行为。

【小结】

作者预期新的多主元形式将继续拓展合金的种类，衍生出更多成分的同时，力学性能也会更加多样。在拉伸形变过程中会逐渐增强显微结构高度不均匀性，构建起含有分布差异、面缺陷、团簇/夹杂物、晶粒尺寸分布和第二相的层级结构。在文中，这些观点都使用近期报道的高熵合金为示例作了说明。该课题将继续尽力优化和改善高熵合金，以使其具备优异的力学性能。特别地，借助不均匀性的调控来避免塑性不稳定性并实现更好的韧-塑性平衡具有巨大潜力。

文献链接：Tailoring heterogeneities in high-entropy alloys to promote strength–ductility synergy（Nat. Commun.,2019,DOI: 10.1038/s41467-019-13311-1）

本文由Isobel供稿。