導(dǎo)讀：本文研究了NiCoCrFe高熵合金（HEA）在準(zhǔn)靜態(tài)（1×10^-4 -1×10^-1 / s）和動態(tài)（1,000–6,000 / s）張力下的變形響應(yīng)行為。高熵合金在動態(tài)拉伸下可獲得高強(qiáng)度和延展性的良好組合。在1×10^-4時，屈服強(qiáng)度和真實(shí)極限抗拉強(qiáng)度從217 MPa增加到830 MPa，在6,000 / s時從440 MPa增加到1,000 MPa以上。此外，工程斷裂應(yīng)變在很大的應(yīng)變率范圍內(nèi)保持60％–85％。

太原理工大學(xué)喬珺威教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京科技大學(xué)將相關(guān)研究成果以題“Simultaneous enhancement of strength and ductility in a NiCoCrFe high-entropy alloy upon dynamic tension: Micromechanism and constitutive modeling”發(fā)表在國際塑性頂級期刊International Journal of Plasticity 上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.08.013

本文研究了NiCoCrFe高熵合金（HEA）在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)張力下的變形行為。EBSD和TEM表征被用來仔細(xì)研究位錯和孿生亞結(jié)構(gòu)，以揭示準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)變形下的微觀機(jī)制。基于微觀結(jié)構(gòu)特征和演化，對變形行為的應(yīng)變率依賴性進(jìn)行了建模和討論。當(dāng)前的NiCoCrFe HEA具有動態(tài)拉伸下的高強(qiáng)度（σy=440 MPa，σ（uts,T）> 1,000 MPa）和大伸長率（85％），遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于準(zhǔn)靜態(tài)1（σy=217 MPa,σ（uts,T）=830 MPa，工程延伸率60％–70％

強(qiáng)度和延展性的增強(qiáng)源自（1）顯著的應(yīng)變率敏感性（SRS），這主要?dú)w因于存在短程有序/簇（SRO / SRC）以及位錯的聲子拖曳效應(yīng)，以及（2）由于在高應(yīng)變速率張力下動態(tài)形成納米級孿晶，因此具有非凡的加工硬化能力。基于熱活化機(jī)理，可以很好地模擬合金的屈服強(qiáng)度對溫度和應(yīng)變率的依賴性。此外，考慮將納米級孿晶邊界作為形核和適應(yīng)位錯的局部位置，修改了位錯密度演化模型，然后將其引入泰勒硬化模型中，以準(zhǔn)確捕獲當(dāng)前NiCoCrFe HEA的硬化行為。因此，動應(yīng)力作用下的顯著加工硬化能力主要?dú)w因于位錯恢復(fù)率低和孿生誘發(fā)的位錯產(chǎn)生。

圖1 （a）用于再結(jié)晶NiCoCrFe HEA的具有隨機(jī)取向和等軸晶粒的EBSD IPFx圖。（b）以面積分?jǐn)?shù)表示的粒度分布。

屈服強(qiáng)度的顯著應(yīng)變率敏感性類似于FCC復(fù)雜濃縮固溶體合金，如不銹鋼和一些TWIP鋼，高于（m s ?<0.01和m d ?<0.1）的FCC純金屬和稀固溶體。通過將EBSD測量得到的變形孿晶的分?jǐn)?shù)與TEM測量得到的雙束中的孿生分?jǐn)?shù)相結(jié)合，估算出的孿晶體積分。5±0.6）

圖2 NiCoCrFe HEA在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)張力下的力學(xué)行為。（a）在不同應(yīng)變率下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并且在動態(tài)張力（1,000-6,000 / s）下所有曲線都不完整。詳細(xì)的解釋可以在實(shí)驗(yàn)部分找到。（b）在各種應(yīng)變速率下，NiCoCrFe HEA的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c）在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)張力下測量NiCoCrFe HEA的最終伸長率，（c1）和（c2）分別是兩種準(zhǔn)靜態(tài)拉伸樣品在拉伸前后的代表性尺寸變化。（d）中總結(jié)了屈服強(qiáng)度，工程極限抗拉強(qiáng)度和工程斷裂應(yīng)變，而在（e）中顯示了在動態(tài)張力下斷裂應(yīng)變的相應(yīng)增加。

圖3 （a）對數(shù)流應(yīng)力隨對數(shù)應(yīng)變率的變化顯示了當(dāng)前NiCoCrFe HEA在各種真實(shí)應(yīng)變下的兩個不同區(qū)域。分別對應(yīng)于不同應(yīng)變率靈敏度（SRS）的兩個獨(dú)立區(qū)域，即準(zhǔn)靜態(tài)SRS（m s）和動態(tài)SRS（m d）。（b）在各種應(yīng)變速率下，NiCoCrFe HEA的應(yīng)變硬化成分。當(dāng)達(dá)到某個值（？0.2）時，在動態(tài)張力下的應(yīng)變硬化成分急劇上升并跨越準(zhǔn)靜態(tài)成分。（彩色線）。

TEM研究表明，變形行為主要由滑動特性和孿晶形成所解釋。在準(zhǔn)靜態(tài)張力下，滑移機(jī)制從平面滑移變?yōu)椴ɡ嘶疲㈦S著應(yīng)變的增加而形成位錯單元，并出現(xiàn)次生孿晶。相比之下，位錯和斷層（平面滑移）的糾纏，伴隨著大量的納米級孿晶的形成，在動態(tài)張力下主導(dǎo)了變形機(jī)制。

圖4 TEM顯微照片顯示在（a–b）約50％真實(shí)應(yīng)變下的準(zhǔn)靜態(tài)（1×10 -4 / s）張力和（c–d）動態(tài)（6,000 / s）的張力下，代表性位錯結(jié)構(gòu)的不同特征真實(shí)應(yīng)變下的張力分別約為57％。（b）和（d）分別是（a）和（c）的矩形區(qū)域中的相應(yīng)高倍率圖像。DC，AT和SF分別指示位錯單元，退火孿晶和堆垛層錯。

圖5 EBSD IPFx和BC圖顯示了在（a–b）約50％的真實(shí)應(yīng)變下準(zhǔn)靜態(tài)（1×10 -4 / s）張力和（c–d）動態(tài)（6,000 / s）時NiCoCrFe合金的代表性微觀結(jié)構(gòu)）分別在約57％的真實(shí)應(yīng)變下的張力。黃線表示BC地圖中的雙邊界（b和d）。

圖6 TEM顯微照片顯示，在約50％的真實(shí)應(yīng)變下，（a–c）準(zhǔn)靜態(tài)（1×10 -4 / s）張力和（d–f）動態(tài)（6,000 / s）時，代表性孿生結(jié)構(gòu)的不同特征真實(shí)應(yīng)變下的張力分別約為57％。（a）和（d）是明場（BF）圖像，（b）和（e）是對應(yīng)的暗場（DF）圖像，以及（c）和（f）雙胞胎的HRTEM圖像。沿<011>軸獲取的相應(yīng)SAED模式顯示出兩組斑點(diǎn)，表明形成了孿晶

基于位錯密度和孿晶體積分?jǐn)?shù)演化，建立了應(yīng)變速率和溫度相關(guān)的本構(gòu)模型，以描述當(dāng)前HEA在較寬的應(yīng)變速率范圍內(nèi)的變形行為。該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，并預(yù)測了在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)張力下位錯恢復(fù)因子和位錯密度對應(yīng)變的演化。

圖7（a）根據(jù)當(dāng)前本構(gòu)模型，實(shí)驗(yàn)流動應(yīng)力和相應(yīng)的擬合曲線分別為1×10 -4 / s和6,000 / s。（b）比較模型在不同應(yīng)變率下的實(shí)驗(yàn)和預(yù)測的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。實(shí)驗(yàn)性斷裂應(yīng)變?nèi)∽詷悠返氖潞鬁y量

這些材料在使用中經(jīng)常會遇到極端條件，例如低溫和高應(yīng)變率。除了先前的報(bào)道，NiCoCrFe HEA在低溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性組合之外，我們還發(fā)現(xiàn)NiCoCrFe HEA在高應(yīng)變率（大于1,000 / s）下具有強(qiáng)度和延展性的同時增強(qiáng)。所有這些都?xì)w因于兩個原因：強(qiáng)烈的應(yīng)變速率敏感性和非凡的應(yīng)變硬化能力。強(qiáng)大的應(yīng)變速率敏感性源自短距離有序/簇（SRO / SRC）的存在，從而為位錯運(yùn)動提供了強(qiáng)大的短距離障礙，以及在高應(yīng)變速率下固有的聲子拖曳效應(yīng)。非凡的應(yīng)變硬化源于在動態(tài)拉伸變形過程中動態(tài)形成的納米級孿晶，而孿晶邊界可以充當(dāng)位錯存儲的有效界面，從而刺激驚人的應(yīng)變硬化和延展性。

總之，本研究結(jié)果不僅提供了對具有廣泛應(yīng)變速率下變形的SRO / SRC的中低SFE HEA的基本微觀機(jī)制的基本理解，而且對于開發(fā)在極端條件下具有出色性能的新型合金也具有重要意義。