編輯推薦：粗晶粒單相面心立方中熵合金(MEAs)在某些工程應(yīng)用中通常表現(xiàn)出不足的強(qiáng)度。文章通過(guò)對(duì)(CoCrNi)94Ti3Al3多尺度非均勻結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)，獲得了極限抗拉強(qiáng)度為1.6 GPa、室溫?cái)嗔褢?yīng)變?yōu)?3.1%的優(yōu)越力學(xué)性能。電鏡表征表明，合金優(yōu)越的力學(xué)性能主要來(lái)自于良好的非均勻相fcc基體(1~40μm)和球形γ′析出相(10~100 nm)，以及高密度的結(jié)晶缺陷(2~10nm)，包括位錯(cuò)、小層錯(cuò)(SFs)、Lomer-Cottrell位錯(cuò)鎖(LC)和超細(xì)變形孿晶（DTs）。

鑄態(tài)CoCrNi合金的低強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度通常低于400 MPa)已不足以滿足許多工程應(yīng)用。通過(guò)熱機(jī)械加工和隨后的完全再結(jié)晶細(xì)化晶粒，可以產(chǎn)生組織相對(duì)均勻的大樣品，進(jìn)一步提高屈服強(qiáng)度。這種方法可能大大降低淬透性，導(dǎo)致極限強(qiáng)度的提高有限，但延性的顯著損失。少量的強(qiáng)γ′相(γ′)形成物Al和Ti可以引入相干析出相，并提供良好的強(qiáng)度-延。本研究探索了一種單步熱處理方法，通過(guò)在非均相細(xì)化fcc基體中引入納米尺寸的非均相γ′沉淀和不同的晶體缺陷，來(lái)獲得(CoCrNi)94Ti3Al3合金的高強(qiáng)度和延性。相關(guān)論文以題“Ultrastrong and ductile (CoCrNi)94Ti3Al3 medium-entropy alloys via introducing multi-scale heterogeneous structures”發(fā)表在《JMST》。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.06.048

圖1 (a) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(b)拉伸性能比較(c) RA-500和RA-700真應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(d)加工硬化曲線

SAED證實(shí)了在RA-500最佳退火條件下形成fcc/ γ′與[011]fcc/ /[011] γ′的界面取向。合金的YS、UTS和塑性分別保持1.20 GPa、1.60 GPa和13.5%，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和延展性的完美結(jié)合。與其他工程材料的抗拉性能比較RA-500處理的合金表現(xiàn)出更好的強(qiáng)度和延性結(jié)合。相比之下，RA-500樣品在屈服后觀察到三階段的加工硬化行為。本研究中檢測(cè)到的細(xì)小異構(gòu)相γ′在調(diào)節(jié)強(qiáng)度和延性的權(quán)衡方面發(fā)揮了重要作用。一方面，根據(jù)Orowan強(qiáng)化理論，高體積分?jǐn)?shù)的小析出相產(chǎn)生有效的沉淀強(qiáng)化; 與RA-700處理的鋁合金相比，RA-500處理后試樣強(qiáng)度高的部分原因是細(xì)小γ′相的高密度。另一方面，已有研究表明γ′析出相的非均質(zhì)性可以促進(jìn)應(yīng)變的進(jìn)一步區(qū)分。同時(shí)，超細(xì)γ′析出相與周?chē)鷉cc基體具有相干取向關(guān)系，由此降低了γ′析出相與位錯(cuò)之間的彈性相互作用。由于相干界面處可以忽略應(yīng)變積累，防止析出-基體界面處的裂紋萌生。

圖2合金的ECCI顯微組織分析

此外，應(yīng)變硬化能力的其他積極作用可能歸因于各種非均相超細(xì)晶缺陷的形成。ECCI顯微組織分析表明，許多滑移帶(~0.8μm)出現(xiàn)在晶粒基體中并相互作用。滑移帶是由于平面滑移而形成的，在MEAs/HEAs中伴隨著晶格摩擦應(yīng)力，已被認(rèn)為可以容納塑性變形。

圖3 (a - d)軋制態(tài)合金的微觀組織分析:(a) SAED模式顯示fcc基體具有(111)局部軋制織構(gòu);(b) BF-TEM圖像顯示高密度位錯(cuò)的;(c) BF-TEM圖像和SAED證實(shí)顯示SF和LC的形成;(d) BF-TEM圖像和SAED顯示變形孿晶。(e - g) RA-500處理的(CoCrNi) 94Al3Ti3合金的顯微組織分析:(e)和(f) BF-TEM圖像和HR-TEM圖像及FTT模式，顯示γ′析出相、SFs和LCs;(g)表明納米孿晶形成的BF-TEM圖像和SAED模式L5。(h)和(i) RA-700處理的(CoCrNi)94Al3Ti3合金的顯微組織分析:(h) BF-TEM圖像顯示完全再結(jié)晶的組織;(i) BF-TEM圖像表明形變孿晶與某些位錯(cuò)相互作用

一般情況下， DTs除了作為塑性載體外，還可以通過(guò)引入額外的界面誘導(dǎo)晶粒細(xì)化效應(yīng)，從而顯著減小位錯(cuò)平均自由程，導(dǎo)致明顯的動(dòng)態(tài)Hall-Petch效應(yīng)。此外，孿晶界也可以為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提供有效的障礙，增加位錯(cuò)堆積的能力。此外，在室溫和低溫條件下均可廣泛發(fā)現(xiàn)SFs，是γ′硬化HEAs/MEAs的主要變形模式。此外，與SFs一樣，來(lái)自四個(gè)方向的位錯(cuò)也可以被LC鎖釘住，其他位錯(cuò)也難以在LC鎖附近移動(dòng)，從而導(dǎo)致位錯(cuò)堆積，這對(duì)HEAs/MEAs的強(qiáng)化和應(yīng)變硬化也有積極作用。的BF-TEM圖像顯示，合金中含有重結(jié)晶晶粒，其中發(fā)生了位錯(cuò)和孿晶的相互作用

圖4  微觀結(jié)構(gòu)演變的示意圖

通過(guò)一次軋制和退火處理，可以得到多尺度非均質(zhì)結(jié)構(gòu)。增強(qiáng)的力學(xué)性能主要來(lái)自三個(gè)方面:(1)基體晶粒細(xì)化(1~50 μm)產(chǎn)生了晶界強(qiáng)化和優(yōu)異的加工硬化能力;(ii)超細(xì)非均相γ′析出相(10-100 nm)有效強(qiáng)化沉淀;(iii)強(qiáng)化和硬化也可能源于不同尺寸的各種晶體缺陷(即SFs、LCs、DTs和滑移帶)容納位錯(cuò)的能力。

綜上所述通過(guò)制備多尺度非均相結(jié)構(gòu)來(lái)獲得軟fcc MEAs/HEAs的強(qiáng)度和延性的良好組合。這一策略也為開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良延展性的高強(qiáng)度MEAs/HEAs提供了一些見(jiàn)解。同外還詳細(xì)研究了所開(kāi)發(fā)復(fù)合材料的高溫性能增強(qiáng)的潛在機(jī)制。