導(dǎo)讀：具有面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜成分合金(CCAs)具有優(yōu)異的力學(xué)性能，為結(jié)構(gòu)材料合金設(shè)計(jì)引入了成分空間的擴(kuò)展。通過配置各種過渡元素可以形成單一的固溶相，而摻雜少量其他元素通常也會(huì)形成脆性的金屬間化合物。本文通過對(duì)單一FCC (CoNi)100-xMox合金的系統(tǒng)研究表明，廣泛的耐火元素Mo可以在保持固溶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高強(qiáng)度和延展性。原子尺寸大于三維過渡元素的Mo的加入會(huì)導(dǎo)致FCC晶格出現(xiàn)嚴(yán)重的晶格畸變，并導(dǎo)致Mo原子富集的晶界偏析。此外，增加Mo含量可有效降低層錯(cuò)能(SFE)。隨著Mo含量的增加，晶格畸變的增加增強(qiáng)了合金的固溶強(qiáng)化。此外，隨著SFE的降低和晶界偏析對(duì)位錯(cuò)部位的穩(wěn)定，這種提高的固溶強(qiáng)化增加了晶界強(qiáng)化，達(dá)到了1 GPa的屈服強(qiáng)度。此外，隨著Mo的增加，SFE的降低導(dǎo)致位錯(cuò)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和變形孿晶的細(xì)化，從而增強(qiáng)了應(yīng)變硬化能力，從而提高了~ 1.3 GPa的抗拉強(qiáng)度和~ 50%的塑性。耐火元素Mo的這種綜合和協(xié)同作用使單一FCC固溶體的復(fù)雜成分合金克服了強(qiáng)度和延性的權(quán)衡。

與傳統(tǒng)的稀釋合金相比，由多主元素組成的CCAs作為一種新的合金設(shè)計(jì)策略，在過去的二十年中受到了廣泛的關(guān)注，因?yàn)楹辖鹣到y(tǒng)的多種組合具有顯著的機(jī)械性能。在這一領(lǐng)域，研究最廣泛的合金是單一FCC固溶相，以CrMnFeCoNi、CrFeCoNi、CrCoNi和VCoNi為代表。由于與其他強(qiáng)化機(jī)制相比，稀FCC合金中固溶強(qiáng)化的作用較小，因此通常認(rèn)為，在不整合高密度缺陷(如位錯(cuò)或析出物)的情況下，在單一FCC結(jié)構(gòu)合金中實(shí)現(xiàn)高屈服強(qiáng)度是具有挑戰(zhàn)性的。然而，與這一觀點(diǎn)相反，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)CCAs (FCC CCAs)表現(xiàn)出相當(dāng)高的屈服強(qiáng)度，這僅僅源于兩種強(qiáng)化貢獻(xiàn)，即固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化。此外，F(xiàn)CC CCAs中觀察到的各種變形機(jī)制，如納米孿晶、相變誘發(fā)塑性和滑移帶細(xì)化，有助于提高應(yīng)變硬化能力，從而提高均勻延性。

本研究旨在揭示Mo對(duì)單相FCC CCAs微觀組織演變的綜合作用及其強(qiáng)化機(jī)制。基于熱力學(xué)計(jì)算，選擇(CoNi)100-xMox體系中不同Mo含量(8、15和18 at%)的三種合金作為模型合金，因?yàn)轭A(yù)測(cè)即使Mo含量高達(dá)18 at%，也具有寬的單FCC相區(qū)。為了避免無序六方緊堆積(HCP)和有序μ相等其他相的形成，在不同的退火條件下，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這些合金中單一FCC固溶體的區(qū)域。隨后，在一組不同晶粒尺寸的全fcc結(jié)構(gòu)樣品上量化了固溶和晶界強(qiáng)化。結(jié)果表明，隨著Mo含量的增加，合金的強(qiáng)度和塑性同時(shí)提高。特別是，(CoNi)82Mo18合金在完全再結(jié)晶(即位錯(cuò)密度的貢獻(xiàn)很小)的情況下，表現(xiàn)出高達(dá)~ 1 GPa的超高屈服強(qiáng)度，~ 1.3 GPa的抗拉強(qiáng)度和~ 50%的塑性。Mo對(duì)固溶強(qiáng)化的潛在影響是通過從頭計(jì)算得出的固溶強(qiáng)化與晶格畸變之間的相關(guān)性來揭示的。有趣的是，通過增加Mo含量可以實(shí)現(xiàn)顯著的晶界強(qiáng)化，這與Mo的固溶強(qiáng)化、晶界偏析以及通過從頭計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量量化的SFE變化有關(guān)。除了強(qiáng)化作用外，變形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變也有助于提高應(yīng)變硬化率，從而提高抗拉強(qiáng)度和均勻塑性。這項(xiàng)工作表明，采用Mo的策略有可能在更大程度上改善CCAs的力學(xué)性能。

韓國高麗大學(xué)Seok Su Sohn教授團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果以題為“Compositive role of refractory element Mo in improving strength and ductility of face-centered-cubic complex concentrated alloys”發(fā)表在國際期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645423003610

圖1所示。(CoNi)100-xMox合金體系(x = 0-30 at%)在0-1600℃溫度范圍內(nèi)的平衡偽二元相圖。組成范圍從(CoNi)92Mo8到(CoNi)82Mo18以藍(lán)色突出顯示。

圖2所示。通過XRD分析(a) Mo8、(b) Mo15、(c) Mo18合金在不同溫度下退火1h后的物相。(d)計(jì)算所得合金及等原子CoNi二元合金的FCC相晶格參數(shù)。

圖3所示。(a1-a4) Mo8、(b1-b4) Mo15和(c1-c4) Mo18合金在不同溫度下退火1h后的BSE圖像。FCC固溶體單相和FCC- hcp雙相試樣分別用紅點(diǎn)和藍(lán)虛線框表示。

圖5所示。FCC單相Mo18合金的APT元素分布分析 

圖6所示。(CoNi)100-xMox合金的力學(xué)性能。(a) Mo8、(b) Mo15、(c) Mo18合金室溫下的工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(d)屈服應(yīng)力(以0.2%偏移量測(cè)量)與合金平均晶粒尺寸平方根倒數(shù)的關(guān)系。(e)晶粒尺寸相近的退火合金的應(yīng)變硬化速率曲線。(f)與其他CCAs和TWIP鋼相比，屈服強(qiáng)度與拉伸伸長率的概述。

圖8所示。晶粒尺寸相近的Mo8、Mo15和Mo18合金在30%的工程應(yīng)變下變形。(a) Mo8， (b) Mo15， (c) Mo18合金的STEM圖像。相應(yīng)的DF圖像和sadp(插圖)顯示了(d) Mo8、(e) Mo15和(f) Mo18合金的孿晶亞結(jié)構(gòu)。

圖11所示。Mo8、Mo15和Mo18合金在2%工程應(yīng)變下變形的位錯(cuò)分析和SFE測(cè)量。

本文系統(tǒng)地研究了(CoNi)100-xMox合金(Mo8、Mo15和Mo18)的顯微組織演變和力學(xué)性能。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，研究了Mo對(duì)相穩(wěn)定性和力學(xué)性能的潛在影響，得出以下結(jié)論:

在(CoNi)100-xMox體系中，單個(gè)FCC固溶體在% Mo下保持高達(dá)18。隨著Mo含量的增加，Mo15和Mo18合金形成單一FCC固溶體所需的最低溫度分別提高到1000℃和1050℃。在較低溫度下，兩種合金中的單一FCC固溶體分解為無序FCC和HCP固溶體和有序D019，而Mo8合金在700℃時(shí)仍保持在FCC固溶體中。

對(duì)于晶粒尺寸在~ 2 ~ 60 μm范圍內(nèi)的單一FCC固溶體Mo8、Mo15和Mo18合金，從Mo8到Mo18合金的強(qiáng)度和延展性同時(shí)提高。特別是，Mo18合金表現(xiàn)出優(yōu)異的屈服強(qiáng)度為~ 1 GPa，抗拉強(qiáng)度為~ 1.3 GPa，塑性為~ 50%，盡管處于再結(jié)晶的單一FCC固溶體狀態(tài)。

通過從頭計(jì)算電荷轉(zhuǎn)移和均方根位移，揭示了Mo對(duì)(CoNi)100-xMox體系中晶格畸變的增加起著有效的作用。Mo的加入使Mo18合金的固溶強(qiáng)度從59 MPa提高到229 MPa。結(jié)果表明，即使在含難熔元素Mo的(CoNi)100-xMox合金中，晶格畸變和固溶強(qiáng)化也具有良好的相關(guān)性。

與其他由3D過渡金屬組成的FCC CCAs相比，(CoNi)100-xMox合金的屈服強(qiáng)度對(duì)晶粒細(xì)化具有較強(qiáng)的敏感性。在這些合金中觀察到的霍爾-佩奇系數(shù)的增強(qiáng)可以歸因于與Mo添加相關(guān)的幾個(gè)因素的協(xié)同作用，如提高固溶強(qiáng)化，降低SFE和Mo在晶界的偏析。然而，由于難以區(qū)分這些因素的個(gè)體貢獻(xiàn)，需要進(jìn)一步的系統(tǒng)研究來徹底闡明它們的作用。

在拉伸變形過程中，較高的Mo含量導(dǎo)致較高的應(yīng)變硬化率，從而提高了強(qiáng)度和塑性。隨著Mo含量的增加，SFE的降低導(dǎo)致位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)由DC向HDDW轉(zhuǎn)變，孿晶亞結(jié)構(gòu)細(xì)化。位錯(cuò)和孿晶亞結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變都顯著地阻礙了位錯(cuò)滑動(dòng)，并產(chǎn)生了更高的應(yīng)變硬化能力。