激光沖擊強(qiáng)化(LSP)可于高熵合金表面誘導(dǎo)呈梯度分布的納米孿晶、超細(xì)晶粒，使其相較于同等平均晶粒尺寸的均質(zhì)材料體現(xiàn)出更為優(yōu)異的應(yīng)變硬化能力。微觀結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，LSP誘導(dǎo)的位錯(cuò)、小角度晶界及孿晶的共同作用增強(qiáng)了高熵合金(HEAs)的應(yīng)變硬化能力，導(dǎo)致了其在變形過程中的優(yōu)異塑性。現(xiàn)有結(jié)果表明，在變形過程中，傳統(tǒng)的梯度鋼、鎳及銅等金屬表面形成的致密剪切帶(SBs)容納了梯度層的塑性應(yīng)變，延緩了納米晶/細(xì)晶區(qū)域的應(yīng)變局域化和過早失效，具有相較均質(zhì)合金更為優(yōu)異的塑性。與傳統(tǒng)合金相比，梯度結(jié)構(gòu)的高熵合金在局域應(yīng)變和塑性變形行為間的關(guān)聯(lián)響應(yīng)機(jī)制尚不明晰。因此，探究局部應(yīng)變對非均質(zhì)HEAs的影響，有助于明確梯度結(jié)構(gòu)高熵合金優(yōu)異塑性的本質(zhì)。

為了達(dá)到上述目的，哈工大黃永江教授課題組采用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)原位拉伸技術(shù)結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)表征探究了激光沖擊強(qiáng)化誘導(dǎo)梯度結(jié)構(gòu)單相高熵合金的力學(xué)行為，從局域應(yīng)變的角度揭示了該梯度結(jié)構(gòu)高熵合金的塑性變形機(jī)理。相關(guān)成果以題“Strain delocalization in a gradient-structured high entropy alloy under uniaxial tensile loading”發(fā)表于 International Journal of Plasticity。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103808

依據(jù)高熵合金成分設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，該文章制備了六元單相面心立方結(jié)構(gòu)的CrFeCoNiMn_0.75Cu_0.25高熵合金。懸浮熔煉后澆鑄制備合金板材，隨后分別對其表面進(jìn)行1次及4次激光沖擊強(qiáng)化處理，探究了其拉伸變形行為及微觀組織演化。

研究結(jié)果表明，經(jīng)LSP處理后，CrFeCoNiMn_0.75Cu_0.25 HEA樣品屈服強(qiáng)度顯著提升的同時(shí)依然保持優(yōu)越的塑性。特別地，經(jīng)過四次LSP的HEA試樣的屈服強(qiáng)度約為鑄態(tài)合金的2倍，這歸因于其表面形成的由亞晶粒、致密位錯(cuò)和納米孿晶組成的梯度結(jié)構(gòu)。原位DIC測試結(jié)果表明，4次強(qiáng)化后梯度結(jié)構(gòu)高熵合金表層產(chǎn)生了致密剪切帶，而未出現(xiàn)應(yīng)變集中。剪切帶為細(xì)晶區(qū)局域應(yīng)變的主要載體，隨著外加載荷的增加其局域應(yīng)變的強(qiáng)度增加，而芯部粗晶則抑制了剪切帶的擴(kuò)展(剪切帶寬度并未隨外加載荷而增加)，為合金提供了良好的塑性變形能力。梯度結(jié)構(gòu)高熵合金的應(yīng)變非局域化延緩了細(xì)晶結(jié)構(gòu)的過早失效，使其塑性更為優(yōu)異。

圖1. (a) 鑄態(tài)和激光沖擊強(qiáng)化后HEAs的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及(b)應(yīng)變硬化速率曲線 

圖2. (a) 4次LSP處理后的CrMnFeCoNiMn_0.75Cu_0.25 HEA截面(YOZ面)的EBSD圖譜；(b、c、d) 不同區(qū)域內(nèi)的晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)圖以及 (e、f、g) 取向差角統(tǒng)計(jì)圖

圖3.不同拉伸應(yīng)變下(a)鑄態(tài)、(b) 1-LSP和(c) 4-LSP處理的HEA試樣表面ε_x, ε_y方向的局部應(yīng)變分布圖譜

圖4. 4次LSP后的高熵合金試樣在不同拉伸應(yīng)變后不同深度層下的微觀組織結(jié)構(gòu) (a)、(c) 應(yīng)變達(dá)~ 2%和(b)、(d)應(yīng)變達(dá)~15%

圖5.1-LSP和4-LSP處理后HEA的背應(yīng)力:(a) 1-LSP和4-LSP處理后HEA的循環(huán)加載-卸載的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 4-LSP處理后HEA循環(huán)加載曲線中放大后的遲滯回線，圖中σ_u0

定義為初始卸載應(yīng)力、σ_u為卸載屈服、σ_r為加載屈服、σ_b為背應(yīng)力、σ_f為摩擦應(yīng)力、Eu為有效卸載時(shí)的楊氏模量、Er為有效加載時(shí)的楊氏模量。(c)不同真應(yīng)變下1-LSP和4-LSP處理后HEAs的背應(yīng)力

此外，在塑性變形階段，合金硬化層中的細(xì)晶在失穩(wěn)前產(chǎn)生了側(cè)向局部應(yīng)力分量。多向的局部應(yīng)力狀態(tài)激活了合金內(nèi)部更多的滑移系統(tǒng)，提高了梯度結(jié)構(gòu)HEAs的力學(xué)性能。透射電鏡觀察及循環(huán)加載結(jié)果表明，梯度結(jié)構(gòu)在變形過程中高的背應(yīng)力強(qiáng)化使得該結(jié)構(gòu)的高熵合金材料具有優(yōu)異的應(yīng)變硬化能力和強(qiáng)塑性結(jié)合。