導(dǎo)讀：能源、軍事和核工業(yè)等領(lǐng)域迫切需要具有增強(qiáng)的變形能力和強(qiáng)度的高密度合金。本文提出了一種新型的 NiCoFeCrMoW 高熵合金 (HEA)，它具有比銅更高的密度和聲速。系統(tǒng)地研究了這些HEA的相結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)靜態(tài)拉伸、動(dòng)態(tài)壓縮和相關(guān)的變形機(jī)制。結(jié)果表明，取決于 Mo 和 W 含量以及退火溫度，在 HEA 中形成了單 FCC 或 FCC + μ 雙相。這些 HEA 具有出色的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和動(dòng)態(tài)壓縮性能，例如 Ni 30 Co 30 Fe 21 Cr 10 W 9在準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中，在 1573 K 退火的 HEA 的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為 ?364 MPa、?866 MPa 和 ?32%；屈服強(qiáng)度約為 710 MPa，在 4100 s -1的動(dòng)態(tài)應(yīng)變速率下沒有斷裂. 

如今，高密度合金在航空航天、電子信息、能源、冶金、軍工、核工業(yè)等領(lǐng)域已廣泛用作配重、運(yùn)動(dòng)器材、穿甲彈、聚能裝藥內(nèi)襯等。隨著裝甲防護(hù)技術(shù)的發(fā)展，迫切需要具有強(qiáng)破甲能力的新型襯里材料。根據(jù)穿甲流體動(dòng)力學(xué)理論[1]，理想的聚能裝藥內(nèi)襯材料應(yīng)具有高密度、高聲速、高熔點(diǎn)、適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、良好的延展性和動(dòng)態(tài)延展性。毫無疑問，Cu 和 Ni 因其優(yōu)異的可塑性、高密度、高聲速和相對(duì)較低的成本而成為聚能裝藥內(nèi)襯材料的良好選擇。最近，已經(jīng)提出了合金中原子比相等或接近相等的多主成分合金（MPCA）或高熵合金（HEA）的概念。它們通常形成無序的固溶相，并表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化性和熱穩(wěn)定性等。基于 FeCoNiCr 的 HEA 通常形成單面心立方 (FCC) 相，并表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性變形能力[12]. 因此，F(xiàn)CC 型 HEA 可能是很有前途的聚能裝藥內(nèi)襯材料。到目前為止，已經(jīng)對(duì)單 FCC 相的 CoCrFeNi 基 HEA 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了一些研究。

在這項(xiàng)工作中，北京科技大學(xué)惠希東教授團(tuán)隊(duì)采用 HEA 的概念開發(fā)了一種新型 NiCoFeCrMoW 材料。難熔元素Mo和W用于提高機(jī)械性能、密度、熔點(diǎn)和其他物理性能。通過熱機(jī)械加工和微觀結(jié)構(gòu)控制，優(yōu)化了這些 HEA 的室溫拉伸和動(dòng)態(tài)壓縮性能。探討了壓縮和變形行為的應(yīng)變率敏感性。這些 HEA 具有出色的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和動(dòng)態(tài)壓縮性能，例如 Ni 30 Co 30 Fe 21 Cr 10 W 9在準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中，在 1573 K 退火的 HEA 的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為 ?364 MPa、?866 MPa 和 ?32%；屈服強(qiáng)度約為 710 MPa，在 4100 s -1的動(dòng)態(tài)應(yīng)變速率下沒有斷裂. 已證明屈服強(qiáng)度優(yōu)于先前報(bào)道的 FCC HEA 的應(yīng)變率敏感性 (SRS)。相關(guān)研究成果以題“Enhanced dynamic deformability and strengthening effect via twinning and microbanding in high density NiCoFeCrMoW high-entropy alloys”發(fā)表在國際著名期刊Journal of Materials Science & Technology上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222003735

為了優(yōu)化現(xiàn)有 HEA 的性能，本文進(jìn)行了三種不同的退火工藝。Ni 30 Co 30 Fe 30- x - y Cr 10 Mo x W y HEA 60%軋制并隨后在不同溫度和持續(xù)時(shí)間下退火的XRD圖如圖1所示。可以看出，在 1273 K 退火 1 h 后，只有 Mo4W3 HEA 形成單一的 FCC 相。隨著W含量的增加，第二相的衍射峰出現(xiàn)并逐漸增加，確定為Fe 7 W 6型μ相。文獻(xiàn)中也報(bào)道了類似的相結(jié)構(gòu)。隨著退火溫度的進(jìn)一步升高，μ相的衍射峰逐漸減小，表明μ相的形成對(duì)退火溫度有很強(qiáng)的依賴性。圖 1 (b) 中FCC 相的 (111) 面的 XRD 圖案被部分放大并顯示在圖 1 (d) 中。(111) 面的峰向低角度側(cè)略微移動(dòng)（以虛線突出顯示），表明由 W 原子在基體中溶解引起的晶格常數(shù)增加。

圖 1. Ni 30 Co 30 Fe 30- x - y Cr 10 Mo x W y HEA 60% 軋制并隨后在 1273 K 退火 1 小時(shí) (a)、1473 K 退火 1 小時(shí) (b) 和 1573 K 退火的XRD 圖譜10分鐘（三）；(d) (b) 中 FCC (111) 平面的放大 XRD 圖。

為了進(jìn)一步了解退火溫度對(duì) FCC 基體晶粒尺寸的影響，對(duì) Mo4W3 和 Mo0W9 HEA 進(jìn)行了 EBSD 分析。圖 3顯示了在不同溫度下退火的 Mo4W3 和 Mo0W9 HEA 的反極圖 (IPF) 以及平均晶粒尺寸（不包括孿晶界）。在晶粒內(nèi)部可以觀察到大量的退火孿晶界，表明這些 HEA 的層錯(cuò)能較低。隨著退火溫度從 1273 K 提高到 1573 K，基體晶粒尺寸分別從 Mo4W3 HEA 中的 28 μm 到 158 μm 和 Mo0W9 HEA 中的 5 μm 到 32 μm 逐漸增大。圖 3中的白色顆粒（b，d和f）被確定為μ相，主要在晶界生長，然后在晶粒內(nèi)部。Mo0W9 HEA 在 1273 K 下退火 1 小時(shí)的 IPF 清楚地揭示了晶粒尺寸的不均勻性。沒有析出物的 HEA（例如，圖 2（a）、（e）和（i）中的Mo4W3 HEA）的晶粒生長速率明顯快于有析出物（例如，圖 2（d）中的 Mo0W9 HEA） ，（h）和（g）），這可能是由于μ相顆粒對(duì)晶界運(yùn)動(dòng)的阻礙。

圖 2. Ni 30 Co 30 Fe 30- x - y Cr 10 Mo x W y HEA的 SEM 圖像和相應(yīng)的 μ 相體積分?jǐn)?shù)60% 軋制，然后在 1273 K 退火 1 小時(shí)(ad)，1473 K 退火 1 小時(shí)(eh)和 1573 K 10 分鐘 (il)。

圖 3. EBSD 反極圖 (IPF) 和 Mo4W3 和 Mo0W9 HEA 在 1273 K 退火 1 小時(shí) (a, b)、1473 K 退火 1 小時(shí) (c, d) 和 1573 K 退火 10 分鐘 (e, f) 的相應(yīng)平均晶粒尺寸。

據(jù)報(bào)道，細(xì)晶粒和沉淀物會(huì)抑制微帶的形成。因此，對(duì)在 1573 K 下退火 10 分鐘的 Mo4W3 和 Mo0W9 HEAs 進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮測試，以探索 NiCoFeCrMoW HEAs 在室溫下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和應(yīng)變率效應(yīng)。在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下測試的合金表現(xiàn)出良好的加工硬化響應(yīng)，沒有宏觀斷裂。圖 5 (c)繪制了分別以 4500 和 4100 s -1的應(yīng)變速率變形的 Mo4W3 和 Mo0W9 HEA 的加工硬化率 (WHR) 作為真塑性應(yīng)變函數(shù)的變化。可以看出，兩種 HEA 的 WHR 曲線在 A 階段均呈現(xiàn)快速下降趨勢，隨后在 B 階段緩慢下降，最后在 C 階段保持并略有增加，隨著應(yīng)變的增加，變形機(jī)制有所變化。在準(zhǔn)靜態(tài)變形下，許多合金系統(tǒng)都觀察到了微帶，這與 SFE、晶粒尺寸和析出物有關(guān)。SFE 對(duì)微帶形成的影響是有爭議的[81]。無論如何，微帶對(duì)延展性有很大的好處，并且只能在能夠承受大應(yīng)變的合金中觀察到。

圖 4. Ni 30 Co 30 Fe 30- x - y Cr 10 Mo x W y HEAs 在 1273 K 退火 1 h (a)、1473 K 退火 1 h (b) 和1573 K 10 分鐘 (c)

圖 5. 在 1573 K 退火 10 分鐘的 HEA 不同應(yīng)變率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線：(a) Mo4W3 和 (b) Mo0W9。(a) 和 (b) 中的插圖分別顯示了 Mo4W3 和 Mo0W9 試樣在動(dòng)態(tài)載荷下的變形；(c) 作為真塑性應(yīng)變函數(shù)的加工硬化率。

目前的 HEA 表現(xiàn)出準(zhǔn)靜態(tài)拉伸強(qiáng)度和伸長率的出色組合。在 1573 K 退火的 Mo4W3 和 Mo0W9 HEA 的 YS 分別為 ~247 MPa 和 ~364 MPa，UTS 為 ~644 MPa 和 ~866 MPa，EL 分別為 ~64.3% 和 ~32%。目前的 HEA 還具有非凡的動(dòng)態(tài)機(jī)械性能。特別是在 1573 K 退火的 Mo0W9 HEA 的壓縮屈服強(qiáng)度約為 710 MPa，在 4100 s -1的高應(yīng)變速率下沒有發(fā)生斷裂。已證明屈服強(qiáng)度優(yōu)于先前報(bào)道的 FCC HEA 的應(yīng)變率敏感性 (SRS)。動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系可以用改進(jìn)的 Johnson-Cook 模型來描述。至于動(dòng)態(tài)變形機(jī)制，設(shè)想當(dāng)前高應(yīng)變率壓縮過程中層錯(cuò)能和 Peierls 勢壘的調(diào)節(jié)導(dǎo)致大量納米級(jí)變形孿晶和微帶的出現(xiàn)。協(xié)同微帶和孿晶有效地有助于增強(qiáng)動(dòng)態(tài)變形能力和強(qiáng)化效果。此外，位錯(cuò)與析出物、堆垛層錯(cuò) (SFs) 與孿晶以及 SFs 之間的相互作用也有助于提高加工硬化能力。

圖 6. 在這項(xiàng)工作中獲得的密度與斷裂伸長率與其他 FCC HEA的比較。

圖 7. 屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率在兩個(gè)不同區(qū)域的變化。兩個(gè)可區(qū)分的區(qū)域?qū)?yīng)不同的應(yīng)變率靈敏度（SRS），即準(zhǔn)靜態(tài)SRS（m s）和動(dòng)態(tài)SRS（m d）。

(5)動(dòng)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于改進(jìn)的Johnson-Cook模型的預(yù)測值吻合較好，表明目前HEA的動(dòng)態(tài)塑性流動(dòng)行為是溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率控制的變形過程。

圖 8. (a) Mo4W3 和 (b) Mo0W9 HEA 在不同應(yīng)變率下變形引起的絕熱溫升隨真塑性應(yīng)變的變化；(c, d) Mo4W3 和 (e, f) Mo0W9 HEA 在動(dòng)態(tài)載荷下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與修正的 Johnson-Cook 模型預(yù)測的流動(dòng)應(yīng)力之間的比較。

在高應(yīng)變率加載條件下，形成了豐富的納米級(jí)變形孿晶和微帶，有助于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑性的良好結(jié)合。位錯(cuò)與析出物、SFs與SFs、SFs與孿晶之間的相互作用發(fā)生在動(dòng)態(tài)載荷作用下，可有效阻礙位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)恢復(fù)，從而提高加工硬化率。

圖 9. Mo4W3 HEA 在動(dòng)態(tài)（~4500 s -1）變形后的 TEM 微觀結(jié)構(gòu)表征和相應(yīng)的 SAED 圖案。(a) 和 (b) 顯示位錯(cuò)之間相互作用的明場顯微照片；(c) 和 (d) 變形孿晶的明場顯微照片和相應(yīng)的 SAED 圖案。

圖 10. 動(dòng)態(tài)（~4500 s -1）變形后 Mo4W3 HEA 中的 HRTEM 圖像。(a) 結(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)；(b) (a)中矩形區(qū)域的放大圖；(c) 銳角為 70.5° 的 V 形 SF 構(gòu)型；（ d ）T形和V形的混合型SF配置，角度為109.5°。

圖 11. Mo0W9 HEA 在動(dòng)態(tài)（~4100 s -1）變形后的 TEM 微觀結(jié)構(gòu)表征和相應(yīng)的 SAED 圖案。(a) 和 (b) BF 顯微照片，顯示致密的位錯(cuò)壁和微帶；(ce) 明場顯微照片顯示變形孿晶和相應(yīng)的 SAED 圖案；(f) μ 相的明場顯微照片和相應(yīng)的 SAED 圖案。