導讀：本文研究了NiCoCrFe高熵合金（HEA）在準靜態（1×10^-4 -1×10^-1 / s）和動態（1,000–6,000 / s）張力下的變形響應行為。高熵合金在動態拉伸下可獲得高強度和延展性的良好組合。在1×10^-4時，屈服強度和真實極限抗拉強度從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，工程斷裂應變在很大的應變率范圍內保持60％–85％。

太原理工大學喬珺威教授團隊聯合北京科技大學將相關研究成果以題“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）在準靜態和動態張力下的變形行為。EBSD和TEM表征被用來仔細研究位錯和孿生亞結構，以揭示準靜態和動態變形下的微觀機制。基于微觀結構特征和演化，對變形行為的應變率依賴性進行了建模和討論。當前的NiCoCrFe HEA具有動態拉伸下的高強度（σy=440 MPa，σ（uts,T）> 1,000 MPa）和大伸長率（85％），遠遠優于準靜態1（σy=217 MPa,σ（uts,T）=830 MPa，工程延伸率60％–70％

強度和延展性的增強源自（1）顯著的應變率敏感性（SRS），這主要歸因于存在短程有序/簇（SRO / SRC）以及位錯的聲子拖曳效應，以及（2）由于在高應變速率張力下動態形成納米級孿晶，因此具有非凡的加工硬化能力。基于熱活化機理，可以很好地模擬合金的屈服強度對溫度和應變率的依賴性。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，以準確捕獲當前NiCoCrFe HEA的硬化行為。因此，動應力作用下的顯著加工硬化能力主要歸因于位錯恢復率低和孿生誘發的位錯產生。

圖1 （a）用于再結晶NiCoCrFe HEA的具有隨機取向和等軸晶粒的EBSD IPFx圖。（b）以面積分數表示的粒度分布。

屈服強度的顯著應變率敏感性類似于FCC復雜濃縮固溶體合金，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數與TEM測量得到的雙束中的孿生分數相結合，估算出的孿晶體積分。5±0.6）

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

圖3 （a）對數流應力隨對數應變率的變化顯示了當前NiCoCrFe HEA在各種真實應變下的兩個不同區域。分別對應于不同應變率靈敏度（SRS）的兩個獨立區域，即準靜態SRS（m s）和動態SRS（m d）。（b）在各種應變速率下，NiCoCrFe HEA的應變硬化成分。當達到某個值（？0.2）時，在動態張力下的應變硬化成分急劇上升并跨越準靜態成分。（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。在準靜態張力下，滑移機制從平面滑移變為波浪滑移，并隨著應變的增加而形成位錯單元，并出現次生孿晶。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，在動態張力下主導了變形機制。

圖4 TEM顯微照片顯示在（a–b）約50％真實應變下的準靜態（1×10 -4 / s）張力和（c–d）動態（6,000 / s）的張力下，代表性位錯結構的不同特征真實應變下的張力分別約為57％。（b）和（d）分別是（a）和（c）的矩形區域中的相應高倍率圖像。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％的真實應變下準靜態（1×10 -4 / s）張力和（c–d）動態（6,000 / s）時NiCoCrFe合金的代表性微觀結構）分別在約57％的真實應變下的張力。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％的真實應變下，（a–c）準靜態（1×10 -4 / s）張力和（d–f）動態（6,000 / s）時，代表性孿生結構的不同特征真實應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SAED模式顯示出兩組斑點，表明形成了孿晶

基于位錯密度和孿晶體積分數演化，建立了應變速率和溫度相關的本構模型，以描述當前HEA在較寬的應變速率范圍內的變形行為。該模型與實驗結果吻合良好，并預測了在準靜態和動態張力下位錯恢復因子和位錯密度對應變的演化。

圖7（a）根據當前本構模型，實驗流動應力和相應的擬合曲線分別為1×10 -4 / s和6,000 / s。（b）比較模型在不同應變率下的實驗和預測的真實應力-應變關系。實驗性斷裂應變取自樣品的事后測量

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

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