導(dǎo)讀: 該研究表明，通過控制液氮溫度下變形誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變(DIMT)行為，可以定制Co_18.5Cr₁₂Fe₅₅Ni₉Mo_3.5C₂(at.%)亞鐵中熵合金的理想性能。這是通過在900至1200°C的溫度下退火來修飾各種初始微觀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。基于兩個主要因素分析了DIMT動力學(xué)的變化。(1) 900℃和1000℃退火誘導(dǎo)析出碳化物，導(dǎo)致基體內(nèi)部成分發(fā)生變化，影響面心立方相的穩(wěn)定性。碳化物析出相體積分?jǐn)?shù)越高，DG^FCC→BCC越低，DIMT動力學(xué)越快。(2) DIMT的開始和動力學(xué)也受到馬氏體成核位點(diǎn)的影響，這可能取決于非再結(jié)晶區(qū)域或晶粒尺寸的存在。在細(xì)晶組織中，馬氏體主要在非再結(jié)晶區(qū)和晶界成核。而在粗晶組織中，馬氏體主要沿晶內(nèi)剪切帶及其交點(diǎn)形核。這種對微觀結(jié)構(gòu)的精確控制產(chǎn)生了優(yōu)越的性能。在900°C和1000°C退火后，具有碳化物析出相和細(xì)晶粒的樣品表現(xiàn)出超高的極限抗拉強(qiáng)度，最高可達(dá)1.8 GPa。

金屬材料的強(qiáng)度和延性表現(xiàn)出一種權(quán)衡關(guān)系，因?yàn)閺?qiáng)化機(jī)制的激活往往伴隨著延性的損失。這種特性限制了許多金屬材料在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。變形誘發(fā)馬氏體相變(DIMT)是解決這一問題的一種潛在方法。故意操縱化學(xué)成分降低面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)相穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致馬氏體在變形作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榱呅蚊芏逊e(HCP)、體心立方(BCC)或體心四邊形(BCT)結(jié)構(gòu)、。DIMT在母相FCC和新形成相之間產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變分配，從而進(jìn)一步提高應(yīng)變硬化速率，最終通過延緩塑性失穩(wěn)來提高強(qiáng)度和塑性。新相界面的生成也可能是硬化的一個來源，這可能隨后阻止位錯的移動。

高熵合金(HEAs)和中熵合金(MEAs)在過去十年中得到了廣泛的研究。HEAs和mea與傳統(tǒng)合金的主要區(qū)別在于它們不具有單一的主要元素，其獨(dú)特的設(shè)計理念大大拓寬了合金設(shè)計的窗口。迄今為止，一些研究已經(jīng)報道了HEAs和MEAs在廣泛領(lǐng)域的優(yōu)異性能，包括拉伸性能、斷裂韌性、抗疲勞性能、超塑性和耐腐蝕。Li等人首先將TRIP效應(yīng)引入到HEAs中，利用FCC的DIMT在Fe-Mn-Co-Cr體系中室溫制備HCP。從亞穩(wěn)態(tài)FCC到BCC的DIMT通常被集成到亞鐵中熵合金(femea)中，以顯著提高室溫到超低溫下的加工淬透性。femea中的BCC TRIP效應(yīng)已被證明相當(dāng)有效，特別是在FCC變得更不穩(wěn)定的低溫下。

為了最大限度地發(fā)揮TRIP效應(yīng)的效益，通過調(diào)節(jié)其開始和動力學(xué)來控制DIMT是很重要的，這與強(qiáng)度和延性直接相關(guān)。較高的DIMT速率通常會導(dǎo)致加工硬化速率(WHR)的快速增加，反之亦然。在大多數(shù)情況下，在合金設(shè)計過程中，根據(jù)母FCC中每個組成元素降低或提高相穩(wěn)定性的比例來確定DIMT動力學(xué)，這通常以相之間的層錯能或吉布斯自由能差的形式表示。然而，改變初始微觀結(jié)構(gòu)，即使在相同的材料中，可能是DIMT動力學(xué)的另一個主要決定因素。一些研究報道了晶粒尺寸對DIMT行為的影響。一般認(rèn)為，更大的晶粒尺寸有利于DIMT;盡管如此，最近有報道稱，在一個過渡晶粒尺寸以下，TRIP動力學(xué)變得更快。Yang等[38]報道了Fe-Ni-Al-Ti MEA的DIMT行為根據(jù)析出相的大小和空間密度有顯著差異。然而，據(jù)作者所知，除了上述零碎的例子外，缺乏對初始微觀結(jié)構(gòu)對DIMT行為和力學(xué)性能影響的系統(tǒng)研究，其中同時考慮了許多微觀結(jié)構(gòu)特征的作用。

在本研究中，韓國浦項科技大學(xué)研究了試圖通過不同的退火熱處理條件改變其初始組織，來控制亞穩(wěn)態(tài)Co_18.5Cr₁₂Fe₅₅Ni₉Mo_3.5C₂at.%) FeMEA在液氮溫度下的變形行為。從綜合的角度分析了非再結(jié)晶晶粒、析出、基體成分和晶粒尺寸等微觀組織因素在決定DIMT行為和整體力學(xué)性能中的作用。

相關(guān)研究成果以“Regulation of cryogenic mechanical behaviors of C-added non-equiatomic CoCrFeNiMo ferrous medium-entropy alloy via control of initial microstructure”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030224005504?via%3Dihub

圖1 （a）A900、（b）A1000、（c）A1100 和（d）A1200樣品的 BSE 圖像。

圖2 XRD圖譜顯示了純Nb和Nb- si合金的相結(jié)構(gòu)。

圖2 EBSD分析了(a) A900、(b) A1000、(c) A1100和(d) A1200樣品的結(jié)果。EBSD (a1-d1)相圖，(a2-d2) IPF圖，(a3-d3) KAM圖。

圖3 （a）A900和A1000和（b）A1100和A1200樣品的粒度分布。

圖4 （a）A900 和（b）A1000 樣品的 TEM 分析。STEM 圖像中突出顯示的區(qū)域顯示了拍攝 EDS 元素圖的區(qū)域。

圖5 在液氮溫度（77 K）下進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。（a）工程應(yīng)力與應(yīng)變曲線，（b）真實(shí)應(yīng)力和WHR與真實(shí)應(yīng)變曲線，以及（c）不同退火條件下FeMEA樣品的臨界應(yīng)變圖。

圖9 FeMEA樣品在不同退火條件下FCC和BCC相的吉布斯自由能。

圖12 BCC組分演變的原始和修改的 Olson-Cohen 模型以及與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。

本文研究了不同退火條件下Co_18.5Cr₁₂Fe₅₅Ni₉Mo_3.5C₂FeMEA合金的初始組織特征在調(diào)節(jié)DIMT動力學(xué)和低溫加工硬化行為中的作用。900℃和1000℃退火試樣析出富Cr的M₂₃C₆型碳化物和富Mo的M₆C型碳化物，晶粒尺寸在5 ~ 7 μm之間，900℃退火試樣中保留了冷軋后未再結(jié)晶的晶粒。在1100℃和1200℃的高溫下退火時，形成了平均晶粒尺寸為~ 48 μm和~ 86 μm的單一fcc結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)。在900°C > 1000°C > 1200°C > 1100°C退火條件下，樣品表現(xiàn)出不同的DIMT動力學(xué)。初始微觀結(jié)構(gòu)對不同FeMEA DIMT動力學(xué)的影響如下:(1)碳化物析出過程中基體化學(xué)成分的改變導(dǎo)致FCC相穩(wěn)定性降低;(2)不同樣品的馬氏體初生形核位置因再結(jié)晶分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸的不同而不同。非再結(jié)晶晶粒和大量預(yù)先儲存的剪切帶的存在誘導(dǎo)了初生馬氏體成核位點(diǎn)。在細(xì)晶試樣中，晶界是主要成核部位，而晶界較少的粗晶試樣主要在剪切帶及其交點(diǎn)處發(fā)生相變。改進(jìn)的Olson-Cohen模型表明，剪切帶的形成速率是粗粒樣品中DIMT動力學(xué)的重要決定因素。這些因素的疊加使FeMEA具有不同的DIMT動力學(xué)和力學(xué)性能。