導(dǎo)讀：本文報(bào)道了Cr7Mn25Co9Ni23Cu36（原子百分比）高熵合金熱處理后的相分解以及二次相的形成對(duì)其拉伸力學(xué)響應(yīng)的影響。顯微組織分析表明，在800°C / 2h和600°C / 8h的熱處理導(dǎo)致形成sigma相，但是在600°C及以下的溫度下進(jìn)行2h熱處理未觀察到sigma相。將實(shí)驗(yàn)觀察到的熱穩(wěn)定性和相與計(jì)算出的相圖進(jìn)行比較，并通過(guò)求助于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行合理化。從頭算計(jì)算討論了相分解的機(jī)理，分解成兩個(gè)固溶相比單一固溶相在能量上更有利。

對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)材料，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和延展性的良好結(jié)合是重要的目標(biāo) 。達(dá)到此目標(biāo)的常用方法包括優(yōu)化合金成分和加工路線。對(duì)可以承受惡劣工作環(huán)境的更好的結(jié)構(gòu)材料的需求，促使冶金學(xué)家探索性能優(yōu)良的新合金。多主合金或高熵合金（HEA）的發(fā)現(xiàn)拓寬了合金設(shè)計(jì)領(lǐng)域，是材料領(lǐng)域的重要突破。

為了開(kāi)發(fā)具有良好性能的HEA，已經(jīng)使用了許多方法如鍛造，高壓合成，熱處理，等離子體激光制備和電弧熔化。熱處理是一種改善合金機(jī)械性能的簡(jiǎn)單，有效且廉價(jià)的方法。近年來(lái)，研究學(xué)者針對(duì)熱處理對(duì)某些HEA的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響進(jìn)行了一些研究。結(jié)果表明，當(dāng)溫度從0升高到1000°C時(shí)，沒(méi)有發(fā)生相分離，表明在寬溫度范圍內(nèi)高熵合金具有良好的相穩(wěn)定性。

在此，哈工大陳瑞潤(rùn)教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)電弧熔化設(shè)計(jì)和制備了Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 高熵合金  。這種具有初級(jí)FCC相的HEA在鑄態(tài)條件下在室溫下具有很好的強(qiáng)度和延展性（屈服強(qiáng)度為401MPa，極限抗拉強(qiáng)度為700MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為36%）。作者研究了200 ~ 1000℃熱處理對(duì)Cr7Mn25Co9Ni23Cu36高溫合金組織和室溫力學(xué)性能的影響。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。利用計(jì)算相圖（CALPHAD）法測(cè)定的吉布斯生成能，分析了sigma相和FCC相的穩(wěn)定性。成功利用從頭計(jì)算方法討論了高溫下的相分解機(jī)理。相關(guān)研究成果以題“Experimental and theoretical investigations on the phase stability and mechanical properties of Cr7Mn25Co9Ni23Cu36 high-entropy alloy”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116763

圖1（af）顯示了處于鑄造狀態(tài)并在200、400、600、800和1000°C熱處理后的Cr7Mn25Co9Ni23Cu36 HEA的顯微組織。在鑄造狀態(tài)下以及在200、400和600°C熱處理后，觀察到兩個(gè)FCC固溶體相。相反，在800°C的熱處理導(dǎo)致形成新相，如圖1 d中的白點(diǎn)所示。通過(guò)TEM和EDS研究了該相的晶體結(jié)構(gòu)和元素分布（圖2）。新相被鑒定為具有四方結(jié)構(gòu)的富Cr的σ相。σ相僅在800°C熱處理的樣品中觀察到。當(dāng)樣品在1000°C下熱處理時(shí)，σ相消失，如圖1（f）所示形成Cu偏析區(qū)。

圖1。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA顯微組織的SEM圖像。（a）處于鑄態(tài)，（bf）在200、400、600和800、1000°C的溫度下進(jìn)行2h熱處理后。

圖2。在800°C熱處理2h后，Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA中的TEM圖像，電子衍射斑和元素分布。（a）TEM圖像，（b）電子衍射點(diǎn)，（c）HAADF圖像，以及（dh）sigma和FCC 2相的元素分布。

圖3。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA的平衡相摩爾分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系。

SEM和TEM圖像顯示，當(dāng)Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA在800°C熱處理2h時(shí)，形成了富含Cr和Co的σ相，這與CALPHAD的預(yù)測(cè)非常吻合。在低于或等于600°C的溫度下進(jìn)行熱處理的樣品中未觀察到σ相，但由CALPHAD預(yù)測(cè)。這種差異歸因于動(dòng)力學(xué)原因，這是由于合金的微觀結(jié)構(gòu)變化以及在600°C下延長(zhǎng)的熱處理時(shí)間所證實(shí)的。

圖4。通過(guò)EDS獲得的鑄造狀態(tài)下Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA中的FCC_1和FCC_2相組成（原子％）。

圖5。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA顯微組織的SEM圖像。（af）在600°C下進(jìn)行4h，6h，8h，10h，12h熱處理后。

圖6。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA在順磁（PM）和亞鐵磁（FM）狀態(tài)下的FCC，BCC和HCP結(jié)構(gòu)的計(jì)算出的總能量。在所有情況下，總能量都是相對(duì)于FCC-FM的能量給出的。

圖7為各種溫度下熱處理之后的Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA的拉伸機(jī)械性能。與鑄態(tài)值相比，在200°C進(jìn)行的熱處理可以有效地保持強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。熱處理溫度從200℃提高到600℃，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度從401℃提高到581 MPa，從700℃提高到829 MPa，同時(shí)，伸長(zhǎng)率從35％降低到22％。這些變化歸因于將熱處理溫度提高到600°C時(shí)納米沉淀的細(xì)化。

圖7。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA在鑄態(tài)和不同溫度下熱處理后的拉伸力學(xué)行為（a）。拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（b）。極限抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

圖8的TEM顯微照片a和b證實(shí)了在600°C / 2h熱處理狀態(tài)（？3.5nm）之后該合金中納米沉淀的尺寸小于鑄態(tài)（？4.5nm）。由于屈服和極限抗拉強(qiáng)度分別下降至303 MPa和530 MPa，延展性降低至斷裂應(yīng)變的15％，800°C熱處理導(dǎo)致斷裂韌性下降。如圖1 d所示。強(qiáng)度的顯著降低是由于形成的σ析出物分布不均，尺寸沒(méi)有明顯變化（高達(dá)幾百納米）。總之，σ相的形成對(duì)Cr 7 Mn25Co9Ni23Cu36HEA的拉伸機(jī)械性能有害。當(dāng)樣品在1000°C（剛好低于合金的熔點(diǎn)）進(jìn)行熱處理時(shí)，屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度均下降，這歸因于如圖1f所示的Cu偏析區(qū)的形成。

EMTO-CPA的計(jì)算結(jié)果表明，與在低溫和高溫下均具有標(biāo)稱成分的合金相比，在能量上更優(yōu)選分解系統(tǒng)（FCC_1和FCC_2）。

σ相的形成對(duì)Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA的拉伸機(jī)械性能有害。

圖8。Cr 7 Mn 25 Co 9 Ni 23 Cu 36 HEA中納米沉淀的形貌。（a）通過(guò)TEM觀察的鑄造狀態(tài)下的納米析出物的形態(tài)。（b）通過(guò)TEM在600℃/ 2h熱處理?xiàng)l件下納米沉淀的形貌。