導讀：對于結構材料或者在應用過程中承受載荷的構件來說，更高的強度和塑性可以提升使用安全性。調控層錯能（SFE）可以改變晶體缺陷的種類和密度，從而影響合金的力學性能。這一策略可以同步提升材料的強度和塑性，也被廣泛應用在面心立方（FCC）多主元合金中。基于等原子CoCrNi合金，本文設計開發了一種具有極低層錯能的非等原子比Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金。區別于傳統的以位錯滑移為主的變形機制，該合金的強化和變形受層錯（SF）主導。該合金的強度隨晶粒尺寸增加而單調下降，與文獻報道結果一致；但塑性在中等晶粒尺寸處達到峰值，這與大多數單相FCC金屬的單調遞增趨勢相矛盾。主要源于該合金隨晶粒粗化從韌性斷裂轉變為準解理斷裂。

強度與塑性之間的相互制約一直是金屬材料設計中的重要挑戰。這種困境本質上源于晶體材料中占主導地位的位錯機制：位錯的增殖和運動提供了塑性，而位錯運動的阻礙提供了強度。然而，通過降低SFE，可以激活孿生和相變等機制，顯著提高加工硬化率。這一策略在同步提升材料的強度和塑性方面具有巨大潛力，已經被廣泛應用在FCC多主元合金（MPEAs）中。

SFE在FCC的變形機制中起著關鍵作用。除了應變速率和溫度等外部因素，可以通過改變化學成分來調整SFE。等原子比的CoCrNi合金相較于等原子比的二元、三元和四元CoCrFeMnNi合金子系統，表現出更優越的綜合力學性能。通過理論計算發現可以通過改變化學成分來調整CoCrNi合金體系的SFE。添加Cr和Co會降低SFE，從而破壞FCC固溶體的穩定性，進而促進馬氏體相變。與等原子比的CoCrNi合金相比，具有極低SFE的非等原子比Co₃₆Cr₄₁Ni₂₃合金在細晶范圍展現出更優異的強度與塑性組合。

然而，相變機制并不總是對塑性有利。在相變誘導塑性（TRIP）合金中，新相通常是馬氏體。其具有強度高，滑移系少的特征。一方面，馬氏體的形成增加了相界面的密度，阻礙了位錯滑移并提高了加工硬化率。另一方面，作為脆性相的馬氏體可能會使塑性惡化。單相FCC金屬或合金的塑性通常會隨著晶粒尺寸的增加而逐步提高。然而，部分TRIP合金的塑性隨著晶粒尺寸的增加會出現異常降低。目前的研究將這種異常現象主要歸因于馬氏體相變的激活，以及馬氏體含量的增加。

研究表明，當六方密排（HCP）相的比例超過約30%時，CoCrNiMo合金會發生脆性斷裂，而均勻延伸率的最大值在HCP相含量低于10%時實現。與293K相比，Fe_49.5Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀C_0.5合金在77K下拉伸實驗后，HCP相的含量明顯增加，超過了60%。然而，均勻延伸率卻幾乎保持不變。這一現象也存在于Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀合金。HCP相含量與塑性之間的相關性仍然存在疑問。因此，探索低SFE合金在晶粒尺寸增加時塑性異常下降的根本原因至關重要。

在這項研究中，作者設計了一種非等原子比Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金，該合金具有極低SFE，并制備了不同晶粒尺寸的試樣。研究其力學行為和變形組織。本研究旨在揭示該合金的變形機制，并探討晶粒尺寸增加導致的塑性下降以及斷裂行為轉變的機制。相關成果以“Effect of grain size on the deformation mechanism and fracture behavior of a non-equiatomic CoCrNi alloy with low stacking fault energy”為題發表在International Journal of Plasticity期刊上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104129

圖1. 不同晶粒尺寸完全再結晶的Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金取向分布圖.

圖2. 不同晶粒尺寸Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金的力學性能.

圖3. 工程應變0.1下的ECC圖像.

圖4. 頸縮應變下的TEM圖像.

圖5. 頸縮應變下的EBSD相圖.

圖6. 不同晶粒尺寸Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金的斷口形貌.

圖7. 垂直于拉伸斷裂面的ECC圖像.

圖8. (a) CG試樣斷口附近的SEM圖像；(b，c) 晶界疊加取向分布圖；(b₁，c₁) 相圖疊加質量圖；(b₂，c₂) Schmid因子圖疊加質量圖.

圖9. (a) 晶粒尺寸對FCC單相多主元合金均勻延伸率的影響；(b) 不同晶粒尺寸Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金斷裂機制的示意圖.

具有極低層錯能的Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金被設計為模型合金，用于研究亞穩合金（會發生顯著變形誘導馬氏體相變）在晶粒尺寸增加時塑性異常下降的原因。通過軋制和退火制備了晶粒尺寸為0.61~6.4 μm的試樣。研究了晶粒尺寸對力學性能和變形組織的影響。主要結論如下：

• 由于層錯能很低，位錯在分解后很難進一步束集，從而導致SFs很容易被保留下來，而并沒有發現全位錯滑移證據。因此，SFs主導了塑性變形。隨著應變量的增加，馬氏體相變逐漸被激活，開始發揮作用。

• 在超細晶和細晶范圍內，塑性隨著晶粒尺寸的增加而上升。當晶粒尺寸大于3μm時，塑性急劇下降。斷口形貌由韌窩轉變為準解理刻面，斷裂機制由微孔聚集轉變為準解理。

• 在超細晶和細晶試樣中，由于優異的晶粒協調變形能力，裂紋萌生被抑制。小的裂紋尺寸和大的擴展阻力進一步限制了裂紋擴展，發生了韌性斷裂，提升了塑性。

• 弱協調變形能力和晶界附近大量脆性HCP相共同作用，促進了粗晶試樣的裂紋萌生。大尺寸裂紋對鄰近組織施加較高的剪切應力，進一步加速裂紋擴展，最終導致粗晶試樣出現準解理斷裂，使塑性大幅惡化。