近日，遼寧材料實(shí)驗(yàn)室、江蘇大學(xué)、南京理工大學(xué)聯(lián)合在高水平期刊《scripta materialia》上發(fā)表題為“Ultrafine κ-Phase and De-Faulting Mechanisms Enables 2 GPa Strength with Ductility in a VCoNi Alloy via Ultra-fast Heat Treatment”的學(xué)術(shù)論文，陳雪飛研究員、羅銳副教授、周浩研究員為共同通訊作者。

前言

中高熵合金（M/HEA）因其特殊的設(shè)計(jì)理念和獨(dú)特的力學(xué)性能受到廣泛關(guān)注。不同于傳統(tǒng)合金，M/HEA 的強(qiáng)化源于本征機(jī)制：顯著的晶格畸變（源于原子尺寸失配）和納米尺度成分波動(dòng)，共同提升了強(qiáng)度和塑性。此外，強(qiáng)烈的元素間相互作用可促進(jìn)化學(xué)短程有序，進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并增強(qiáng)應(yīng)變硬化能力。傳統(tǒng)強(qiáng)化策略，如晶粒細(xì)化、沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等，在 M/HEA 中依然有效，其中沉淀強(qiáng)化可顯著提升其強(qiáng)度，甚至可使屈服強(qiáng)度提升一倍。然而，M/HEA 中的沉淀增強(qiáng)仍然存在一些挑戰(zhàn)。例如，不受控制的沉淀物大小、形狀或體積分?jǐn)?shù)會(huì)嚴(yán)重降低延展性，甚至導(dǎo)致脆性斷裂。因此，通過(guò)精確熱處理實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)控制至關(guān)重要，尤其需要快速升溫和精確控溫。

基于此，本研究利用 Gleeble 熱模擬系統(tǒng)對(duì)冷軋單相VCoNi中熵合金進(jìn)行超短時(shí)高溫?zé)崽幚怼Ｔ撓到y(tǒng)可實(shí)現(xiàn)±0.5℃控溫精度的超快速加熱，確保對(duì)沉淀相精確調(diào)控。超短時(shí)熱處理后的合金獲得2 GPa的超高屈服強(qiáng)度，同時(shí)保持4%的均勻延伸率。研究發(fā)現(xiàn)，超細(xì)κ相的變形與高密度納米尺度層錯(cuò)高度相關(guān)。這些層錯(cuò)協(xié)同參與κ相變形，并產(chǎn)生以前未報(bào)道的“退層錯(cuò)”機(jī)制——部分層錯(cuò)在變形后被恢復(fù)。更多精彩歡迎關(guān)注公眾號(hào)“材料科學(xué)與工程”。

Fig. 1. Gleeble 超短時(shí)熱處理：(a) 加熱、冷卻和控制模塊的示意圖；(b) 熱處理過(guò)程流程圖。

Fig. 2. 超短時(shí)熱處理對(duì)VCoNi樣品力學(xué)性能的影響: (a) 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (σ_true) 和加工硬化曲線 (Θ)；(c) 本文中VCoNi合金與類似工藝M/HEA的力學(xué)性能對(duì)比。

Fig. 3. VCoNi合金在各種超短時(shí)熱處理?xiàng)l件下的微觀組織演變：(a) 冷軋樣品和超短時(shí)退火樣品的 XRD相分析，其中紅色圓形表示 FCC 衍射峰, 綠色菱形表示κ相衍射峰；(b-1) 和 (b-2) 為冷軋樣品的IPF和相圖；(c-1), (c-2), 和 (c-3) 為UST1 樣品的IPF、相圖和 TEM 圖像；(d-1), (d-2), 和(d-3) 為UST2 樣品的IPF、相圖和 TEM 圖像；(e-1), (e-2), 和(e-3) 為UST3 樣品的IPF、相圖和 TEM 圖像。

Fig. 4. κ相中高密度的層錯(cuò)導(dǎo)致局部相轉(zhuǎn)變?yōu)?/span> 9R 和 HCP 結(jié)構(gòu)：(a) 未變形的 UST3 樣品的明場(chǎng)像；(b-1) 至 (b-8) 一系列納米束電子衍射圖樣，每個(gè)探針直徑約為 20 nm，位于 (a) 中κ相的橫向位置。

Fig. 5. UST3 樣品拉伸變形過(guò)程中的退層錯(cuò)行為：(a) 未變形樣品的高分辨微觀結(jié)構(gòu)圖；(b) 在{11-1}方向?qū)ν粎^(qū)域進(jìn)行幾何相位分析(Geometric phase analysis , GPA)；(c) 圖(a)中白色虛線框中原子像的放大圖, 顯示了高密度的層錯(cuò)；(d) 拉伸變形后的高分辨微觀組織；(e) 對(duì)應(yīng)的GPA圖；(f) 圖(d)中白色虛線框中原子像放大圖, 顯示了退層錯(cuò)行為的發(fā)生使部分區(qū)域恢復(fù)近乎完美的FCC晶格；(g) 和 (h) 兩種“退層錯(cuò)”變形機(jī)制。

結(jié)論

本研究對(duì)處于單相固溶體狀態(tài)的冷軋VCoNi中熵合金樣品進(jìn)行了 Gleeble 超短時(shí)高溫?zé)崽幚恚_的工藝控制誘導(dǎo)形成了超細(xì) κ 相，該相能夠與基體協(xié)調(diào)變形，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的力學(xué)協(xié)同效應(yīng)——在接近 2 GPa 的超高強(qiáng)度水平下仍保持了必要的延展性。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，即使在變形前，κ 相內(nèi)部也已存在高密度的堆垛層錯(cuò)。這些層錯(cuò)呈非周期性分布，導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，表現(xiàn)為 FCC、HCP 和 9R 相共存。變形過(guò)程中，發(fā)生了顯著的“退層錯(cuò)”現(xiàn)象，即部分層錯(cuò)恢復(fù)。為此，研究提出了兩種不同的不全位錯(cuò)發(fā)射機(jī)制：一種在晶粒內(nèi)部起作用，另一種在晶界處起作用。分析表明，在超細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)中，晶界發(fā)射的不全位錯(cuò)對(duì)于促進(jìn)“退層錯(cuò)”更為有效。