Scripta Materialia：亚稳态高熵合金中强度和延展性之间宽范围权衡的微观机械起源

一、 【导读】 

随着工业应用对高性能材料的需求不断增长，人们一直在寻求既具有高强度又具有高延展性的合金，但在大多数这类材料中，强度和延展性之间的权衡是不可避免的。在过去二十年里，高熵合金（HEAs）作为一种新的合金化策略，开创了极为广阔的成分空间，以实现具有期望力学性能的合金设计。在HEAs中，人们已经尝试了多种途径来打破强度和延展性之间的平衡，如沉淀、梯度结构、分层微结构、相变、间隙固溶和间隙复合物等。然而，由于事后技术和表面测量的局限性，我们仍无法全面揭示碳掺杂亚稳态HEA在承载下的连续变形机制演变。这些实验方法无法定量地识别不同相的载荷分配以及晶粒取向，同时也难以跟踪变形机制的激活和变化。因此，在这些亚稳态高熵合金中，关于位错、孪晶、新相以及它们之间相互作用对硬化行为的影响仍存在较大的认知差距。

二、【成果掠影】

近日，美国田纳西大学的高雁飞教授与日本国立材料科学研究所的Taisuke Sasaki共同报告，通过调整不同的退火温度和时间，间隙型亚稳态高熵合金可以实现广泛的强度与延展性之间的权衡关系。借助原位中子衍射、电子背散射衍射和电子通道对比成像分析，他们研究了这些材料背后的变形机制。这些技术揭示了，通过各种退火处理，可以调节相变过程，从而在相应的微观结构尺度上实现不同程度的载荷分配和共享。因此，通过热处理和由面心立方相到六方最密堆积相的相变产生的微观结构，可以有效地改善所研究合金的延展性。相关成果以“Micromechanical origin for the wide range of strength-ductility trade-off in metastable high entropy alloys”为题发表在Scripta Materialia上。

 三、【核心创新点】

通过不同的退火处理，调节相变过程和微观结构，从而实现宽范围的强度和延展性权衡的间隙型亚稳态高熵合金设计。

 四、【数据概览】

图1 (a)不同处理条件下HEA样品的工程应力-应变曲线，以及(b)与相应工作硬化率曲线重叠的真实应力-应变曲线。使用电子背散射衍射（EBSD）技术，绘制了经退火处理的(c) R750C-3m、(d) P750C-1m和(e) P750C-3m样品的反极图、相图和核平均失配（KAM）图。从(d)中的矩形区域I和II中获取的放大的电子通道对比成像（ECCI）结果。

图2 不同样品沿载荷方向的宏观真实应力下面心立方体（FCC）和六方封闭堆积（HCP）晶粒族的晶格应变演变：(a) P750C-30s，(b) P750C-1m，(c) P750C-2m，(d) P750C-3m，(e) P700C-6m，(f) P650C-15m，(g) R750C-3m，(h) R700C-6m，(i) R650C-15m。

图3 FCC比例随相应真实应力-应变曲线和工作硬化曲线的演变：(a) P750C-1m，(b) P750C-3m。

图4 (a) P750C-1m和(b) P750C-3m样品在断口附近的EBSD反极图、相图和KAM图，以及IPF图中不同晶粒取向的相关放大ECC图像。

图5. 研究的间隙型亚稳态高熵合金的拉伸性能（拉伸强度与延伸率）与传统金属材料的比较，以及不同拉伸性能合金中变形机制的相应示意图。

五、【成果启示】

总之，通过实时原位中子衍射、EBSD和ECCI分析，揭示了具有不同拉伸性能的间隙型亚稳态高熵合金的连续变形机制。通过在Fe_49.5Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀C_0.5合金中制备不同的初始微观结构，并通过一系列退火过程实现了宽范围的强度与延展性权衡。面心立方到六方最密堆积的转变引发的多阶段工作硬化行为可以导致一系列不同的性能表现。这种理想的临界条件可以通过调整不同的制备过程来实现，从而通过改变FCC基体和HCP马氏体之间的负载分配来实现不同的变形机制。本研究利用关键的中子衍射测量，揭示了这些情景的微观力学起源，主要归因于再结晶晶粒中的临界应力降低和多重滑移系统的激活。

原文详情：Lyu, Z.;  Li, Z.;  Sasaki, T.;  Gao, Y.;  An, K.;  Chen, Y.;  Yu, D.;  Hono, K.; Liaw, P. K., Micromechanical origin for the wide range of strength-ductility trade-off in metastable high entropy alloys†. Scripta Materialia 2023, 231, 115439.

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115439