編輯推薦：本文對(duì)鑄態(tài)TiZrHfTa0.5亞穩(wěn)態(tài)難熔高熵合金進(jìn)行了冷軋和退火處理。在冷軋+ 870℃退火試樣發(fā)生最多的bcc→hcp相變，其摩擦系數(shù)和磨損率相對(duì)于較低退火溫度的鑄態(tài)和冷軋?jiān)嚇幼畹汀Ｔ映叨扔^察分析了成分分離的bcc→hcp相變的兩種原子運(yùn)動(dòng)機(jī)制，它們?cè)谧园l(fā)磨損亞表面中繼續(xù)容納摩擦引起的梯度塑性應(yīng)變/應(yīng)變率，從而進(jìn)一步提高摩擦性能。

體心立方(bcc)的TiZrHf基合金具有超高穩(wěn)定的高溫強(qiáng)度和彈性模量等優(yōu)異的力學(xué)性能。從bcc到六邊形密堆積(hcp)/面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)的相變可以進(jìn)一步改善材料的強(qiáng)塑性組合，從而獲得更好的摩擦學(xué)性能。得注意的是，冷軋過程后的退火溫度在調(diào)節(jié)微觀結(jié)構(gòu)（例如重結(jié)晶度，晶粒結(jié)構(gòu)和相構(gòu)成）方面也起著至關(guān)重要的作用。此外,bcc→hcp相變也可能由反復(fù)摩擦過程中磨損亞表面的梯度塑性應(yīng)變/應(yīng)變率觸發(fā)，從而可能形成向穩(wěn)態(tài)COFs和磨損率降低的自發(fā)梯度結(jié)構(gòu)此外。

香港理工大學(xué)相關(guān)的研究員通過原子尺度表征，深入研究了基于TiZrHf的HEAs摩擦過程中bcc→hcp相變的應(yīng)變、成分偏析和原子機(jī)制，相關(guān)論文以題“bcc → hcp phase transition significantly enhancing the wear resistance of metastable refractory high-entropy alloy”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114966

圖1 鑄造TiZrHfTa0.5 HEAs和冷軋+退火后的(a-d)BSE， EBSD圖，(e)XRD圖譜，(f-g)TEM，SAED和EDS結(jié)果

退火溫度會(huì)影響冷軋?jiān)嚇又械木Я＝Y(jié)構(gòu)和hcp相的比例，變形和細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)仍保留在200°C和420°C退火試樣中。越來越多的納米結(jié)構(gòu)hcp相在退主要從bcc晶界（GB）成核，這可能誘導(dǎo)強(qiáng)烈的晶間強(qiáng)化效應(yīng)，從而與退火引起的軟化趨勢(shì)相反。鑄態(tài)和冷軋+退火試樣的bcc 相與hcp相的取向關(guān)系(ORs)是相同的，為[111]bcc//[1120]hcp和[001]bcc//[1120]hcp方向。

圖2 (a)穩(wěn)態(tài)COFs和(b)不同載荷下的磨損率，(c)實(shí)驗(yàn)和參考HEAs的COFs-硬度關(guān)系。(d-g)磨擦表面形貌的SEM和三維輪廓。

人們認(rèn)為軟金屬太容易變形，而硬化金屬的塑性可能大大降低。在這種情況下，COFs不容易通過簡(jiǎn)單的硬化來降低，而TiZrHfTa0.5 HEA冷軋加退火后的bcc→hcp相變可以促進(jìn)硬度-延性協(xié)同作用，從而降低COFs隨硬度的變化。當(dāng)提高退火溫度時(shí)（特別是在870°C時(shí)），這些相變明顯增強(qiáng)的試樣具有更光滑的磨損表面，碎屑更少，粗糙度降低，這意味著耐磨性得到改善。

圖3 截面(a) SEM，(b) TEM與相應(yīng)的SAED模式，(c) 摩擦后EDS和HAADF-STEM (d)不同深度的晶粒尺寸和hcp含量，(e) (c)中矩形的HAADF-STEM，EDS，(f)SAED和HRTEM，(g) hcp原子Fourier-filtered后的圖像，(h) bcc和hcp界面的HRTEM和SAED。(i) ORs的衍射示意圖。

具有額外激活相變的自發(fā)雙相梯度納米結(jié)構(gòu)繼續(xù)適應(yīng)梯度塑性，抑制應(yīng)變局部化，從而進(jìn)一步提高耐磨性能，因此870℃退火HEA具有最佳的摩擦學(xué)性能。H SAED模式顯示了bcc和hcp兩種不同的方向關(guān)系分別為，即[111]bcc1//[1120]hcp和[001]bcc2//[1120]hcp。為了揭示完成這兩個(gè)bcc→hcp相變的潛在原子過程，應(yīng)該解剖它們界面區(qū)域的原子排列和缺陷。

圖4 (a)第一次相變界面HRTEM，(b)晶格和(c)原子間距， (d) 相變的示意圖，(e-f) Burgers機(jī)制示意圖

示意圖總結(jié)了上述原子重排行為，其中，為了獲得最終的bcc晶格結(jié)構(gòu)，需要通過原子沿著[111]bcc方向移動(dòng)進(jìn)行額外的壓縮。因此，第一次bcc→hcp相變遵循經(jīng)典的Burgers機(jī)制。hcp和bcc結(jié)構(gòu)之間的晶格對(duì)應(yīng)關(guān)系說明原子在(110)bcc平面上分別沿著[112]bcc膨脹和[111]bcc方向壓縮。

圖5(a)第二次相變界面HRTEM，(b)原子間距。(c)部分位錯(cuò)偶極子和原子重排的協(xié)同示意圖。

HRTEM圖像還展示了OR值為[001]bcc2//[1120]hcp和(110)bcc2//[1100]hcp的另一種的bcc→hcp過渡界面區(qū)域的。與第一種過渡情況不同，這種情況下(110)bcc面到[110]bcc的傾角在hcp相應(yīng)該從90°大幅降低到61.4°，由部分位錯(cuò)偶極子完成。bcc結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)反應(yīng)可能發(fā)生在a/2[111]→ a8[110] +a4[112] +a8[110]，在密排面 (110)bcc上都激活。在每一個(gè)(110)bcc面上，部分位錯(cuò)偶極子來完成傾斜角度的減小。另一方面，原子重排也使原子間距從原來的沿[110]bcc方向的2.41  逐漸增大到在hcp相沿[1100]hcp方向2.82  ，沿[110]bcc方向產(chǎn)生~ 17%的宏觀剪切應(yīng)變，(110) bcc平面上的部分位錯(cuò)偶極子滑移和原子重排協(xié)同下完成了第二次bcc→hcp相變。

通過原子重排或/和滑動(dòng)協(xié)同產(chǎn)生的部分位錯(cuò)偶極子bcc→hcp相變可以緩解和適應(yīng)磨損亞表面摩擦引起的應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)。除了遵循經(jīng)典Burgers機(jī)制的第一類bcc→hcp相變外，原子運(yùn)動(dòng)過程在本文章中已經(jīng)得到了很好的分析因此馬氏體相變唯象理論也可以用于研究第二類bcc→hcp相變。總而言之，文章在原子尺度觀察表明，成分分離的bcc→hcp相變?cè)谧园l(fā)梯度磨損的表面進(jìn)一步激活，hcp相分?jǐn)?shù)增加的雙相結(jié)構(gòu)繼續(xù)容納反復(fù)摩擦中引起的塑性，最終提高了耐磨性。分析了bcc→hcp相變的兩種原子運(yùn)動(dòng)機(jī)制，主要是原子重組或/和部分位錯(cuò)偶極子滑動(dòng)的協(xié)同作用。