高熵合金（HEAs）基于新型合金設(shè)計，由多個主要元素組成，各元素為相等或接近等摩爾比，通常表現(xiàn)出高延展性和良好的強(qiáng)度。對于典型的面心立方（FCC）高熵合金，如CrMnFeCoNi （Cantor alloy），其室溫延展性為40-45%。對同一合金，當(dāng)試驗溫度從室溫降至77 K時，其抗拉強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度增加了約80%。在較低的溫度下，位錯運(yùn)動由于內(nèi)能的降低而受到阻礙，從而使材料的強(qiáng)度增加，而且延展性也顯著提高。延性的改善與不同的變形機(jī)制的激活有關(guān)。盡管有對HEA低溫性能的研究，但在超低溫度下對HEAs的位錯密度的定量評估還沒有報道，低溫變形過程中各機(jī)制的協(xié)同作用仍不明確。

香港城市大學(xué)王循理、北京科技大學(xué)呂昭平等人組成的研究團(tuán)隊，應(yīng)用中子衍射法測定了在15K條件下CrMnFeCoNiHEA大應(yīng)變（約60%）后位錯密度高達(dá)約1016m-2，強(qiáng)度達(dá)到約2.5GPa。位錯密度的增加證實了變形途徑，包括一系列不同變形機(jī)制的激活。相關(guān)論文以題為“Extremely high dislocation density and deformation pathway of CrMnFeCoNi high entropy alloy at ultralow temperature”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.07.004

本研究通過電弧熔煉制備等原子的CrMnFeCoNi HEA樣品，合金組織為約5μm的等軸晶。在15K的低溫下進(jìn)行了不同程度變形，本文主要選擇26.0%和52.6%的應(yīng)變進(jìn)行討論。

研究人員結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線、層錯幾率（SFP）和平均位錯密度，確定了CrMnFeCoNi HEA在15K時的變形路徑，首先為彈性變形區(qū)，此時SFP為零；從合金屈服開始進(jìn)入第二個區(qū)域，塑性變形始于位錯滑移，SFP仍可忽略不計，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到14%后，SFP開始增加，隨著位錯的滑移，SFs也促進(jìn)變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線從應(yīng)變21%開始呈鋸齒狀變形；從45%應(yīng)變到斷裂變形主要以SFs為主，并有大量鋸齒。變形增加的同時位錯密度顯著增加，合金強(qiáng)度增大。在15K時高密度位錯（約1016m-2）導(dǎo)致CrMnFeCoNiHEA的超高強(qiáng)度（約2.5GPa）。

圖1 CMWP擬合了CrMnFeCoNi HEA在15K時的中子衍射圖

圖2 中子衍射數(shù)據(jù)在三個應(yīng)變水平的峰展寬分析

研究發(fā)現(xiàn)，在14%的應(yīng)變后，SFs被激活，促進(jìn)了合金的持續(xù)硬化。由于超低溫位錯動力學(xué)及其與SFs和孿晶的相互作用，在經(jīng)過21%的變形后形成了鋸齒。鋸齒狀變形的開始伴隨著位錯密度的輕微下降。通過顯微組織觀察證明了多種變形機(jī)制的激活與協(xié)同作用，即位錯滑移、SFs、孿晶和鋸齒，可引起連續(xù)硬化和均勻延伸。

圖3 通過實驗確定位錯密度和變形路徑

圖4 15K時樣品的TEM分析

綜上所述，本文通過原位中子衍射研究，確定了CrMnFeCoNi HEA在15K時的平均位錯密度。錯位密度在15k時，經(jīng)45%應(yīng)變后達(dá)到了約1016m-2的極限，此后位錯密度飽和。得到了位錯密度與（111）//LD織構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系，可以作為位錯運(yùn)動的評價指標(biāo)。從不同變形機(jī)制的激活和相互作用的順序，定義了CrMnFeCoNi HEA在15 K超低溫度下的超高強(qiáng)度延性組合的變形路徑，為后續(xù)高熵合金超低溫性能的研究提供了理論基礎(chǔ)。