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一篇被引極高的Acta Materilia綜述：高熵合金的力學(xué)性能和變形機(jī)制

2021-08-18 11:39:21 作者：材料人來(lái)源：材料人分享至：

本文屬于綜述類(lèi)論文，全面總結(jié)了近15年以來(lái)關(guān)于高熵合金力學(xué)性能和變形機(jī)制，內(nèi)容主要分為三部分。第一部分是將高熵合金的力學(xué)性能與傳統(tǒng)的多晶金屬材料進(jìn)行對(duì)比；第二部分詳細(xì)綜述了具有FCC和BCC結(jié)構(gòu)高熵合金的變形機(jī)理，主要以CrMnFeCoNi 和TiZrHfNbTa合金為主線展開(kāi)；第三部綜述了迄今為止的理論和建模工作，旨在提供FCC和BCC HEAs力學(xué)性能的定性或定量理解。該綜述包含35張經(jīng)典圖片，內(nèi)容深刻而全面，可以在材料科學(xué)的角度，為研究高熵合金，中熵合金以及傳統(tǒng)多晶金屬材料的人提供一定的理論知識(shí)，并為材料的設(shè)計(jì)提供新的思路，加深了人們對(duì)于高熵合金的理解。

1.力學(xué)性能

圖1~3展示了FCC和BCC以及雙相結(jié)構(gòu)的高熵合金與傳統(tǒng)金屬材料，如奧氏體鋼，低碳鋼，孿晶誘導(dǎo)塑性鋼，鋁合金，鈦合金，鎳基高溫合金，鎂合金等在拉伸/壓縮強(qiáng)度和塑性，比強(qiáng)度等力學(xué)方面的對(duì)比。從中可以得到以下結(jié)論：

（1）高溫合金在室溫下具有比傳統(tǒng)金屬更高的強(qiáng)度和延展性，并且可以幾乎覆蓋所有傳統(tǒng)金屬材料的性能；

（2）傳統(tǒng)金屬的壓縮強(qiáng)度位于1000–2300 MPa，塑性則在1~15%，高熵合金則有意義的提高了壓縮強(qiáng)度，可以高達(dá)4390 MPa，在一些材料中，室溫壓縮塑性則可以高達(dá)97%。這在傳統(tǒng)金屬材料中很難實(shí)現(xiàn)。

（3）大多數(shù)單相FCC材料展示的拉伸力學(xué)性能與鎳基高溫合金與奧氏體鋼相近。但強(qiáng)度要低于第二代高強(qiáng)鋼。對(duì)于BCC高熵合金，其大多由難熔金屬組成，力學(xué)性能與TRIP和DP鋼相近。對(duì)于雙相高熵合金（FCC+BCC），性能與TRIP和DP鋼相近，可以媲美馬氏體鋼，可達(dá)8GPa，同時(shí)伴有6%的塑性。而對(duì)于BCC+HCP高熵合金，力學(xué)性能介于第三代奧氏體不銹鋼和馬氏體鋼之間。

（4）對(duì)于比強(qiáng)度的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在服役溫度達(dá)到600℃以上的時(shí)候，其比強(qiáng)度急劇下降。盡管如此，高熵合金還是有替代鎳基高溫合金的潛力。

圖1：文獻(xiàn)中報(bào)道的HEAs和CCAs的室溫拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率（a），和壓縮強(qiáng)度與壓縮應(yīng)變（b）

圖2 圖1a中HEAs和CCAs的室溫單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)（根據(jù)組織中存在的相分類(lèi)），（a） FCC, FCC1+FCC2;（b）（b） BCC, BCC1+BCC2, （c） FCC+BCC, （d） FCC+HCP

圖3 文獻(xiàn)中報(bào)道的HEA和CCA的比強(qiáng)度與溫度，顯示了傳統(tǒng)高溫材料的比強(qiáng)度

2. 變形機(jī)制

在這一部分，以 FCC和BCC結(jié)構(gòu)的高熵合金為主要參照對(duì)象，論文作者從固溶強(qiáng)化，晶粒尺寸效應(yīng)，臨界剪切應(yīng)力，激活體積，高低溫變形行為，應(yīng)變速率效應(yīng)以及孿晶誘導(dǎo)塑性等角度全面闡述了高熵合金的變形機(jī)制及其影響因素。

2.1 FCC合金的變形機(jī)制

圖4 CrMnFeCoNi高熵合金屈服強(qiáng)度與溫度和晶粒尺寸的關(guān)系

圖5 CrMnFeCoNi高熵合金及其所有FCC中熵和低熵等合金屈服強(qiáng)度的溫度依賴(lài)性

圖6 CrMnFeCoNi高熵合金的代表應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 CrMnFeCoNi高熵合金的剪切模量歸一化真應(yīng)變硬化速率與真應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系

圖8 CrMnFeCoNi高熵合金在77k時(shí)的低應(yīng)變（~5%真應(yīng)變）和室溫時(shí)的~22%真應(yīng)變（~22%真應(yīng)變）時(shí){111}面上的平面位錯(cuò)排列（左）和位錯(cuò)糾纏形成胞狀結(jié)構(gòu)

圖9 在77k和室溫條件下，CrMnFeCoNi高熵合金的位錯(cuò)密度隨應(yīng)變的增加而增加

圖10 TEM亮場(chǎng)圖像（左）、暗場(chǎng)圖像（中）和選定區(qū)域衍射圖形（右）顯示了在77 K應(yīng)變到6%的CrMnFeCoNi高熵合金中的位錯(cuò)糾纏

圖11 TEM亮場(chǎng)圖像（左）、暗場(chǎng)圖像（中）和選定區(qū)域衍射圖形（右）顯示了在77 K應(yīng)變至~9%的CrMnFeCoNi高熵合金中大量的位錯(cuò)糾纏

圖12 CrMnFeCoNi合金<111>單晶室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。插圖顯示加載過(guò)程中原位獲得的法向應(yīng)變作為DIC等值線圖。

圖13 CrMnFeCoNi合金<111>單晶在77k時(shí)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。當(dāng)軸向應(yīng)力為450 MPa時(shí)，第一次載荷下降表示孿晶開(kāi)始；應(yīng)變~3%后，將試件卸荷、拋光并重新加載，以便進(jìn)行EBSD和DIC表征

圖14 DIC等值線圖顯示3~4%應(yīng)變后正常應(yīng)變出現(xiàn)滑移和雙條帶

2.2 BCC合金的變形機(jī)制

圖15 FCC基HEAs的脆化行為與價(jià)電子濃度的關(guān)系

圖16 （a） TiZrNbHfTa高熵合金澆鑄和熱等靜壓后的組織（左）。（b） TiZrNbHfTa高熵合金冷軋（減厚65%）、1000℃退火2 h后的SEM背散射圖像

圖17 TiZrNbHfTa高熵合金在三種不同組織狀態(tài)下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖18 （a）室溫塑性應(yīng)變?yōu)?.85%后TiZrNbHfTa高熵合金位錯(cuò)亞結(jié)TEM亮場(chǎng)圖像。（b） TiZrNbHfTa高熵合金在室溫下塑性應(yīng)變?yōu)?.85%后出現(xiàn)螺位錯(cuò)，并出現(xiàn)偶極子和位錯(cuò)環(huán)

圖19 TiZrNbHfTa高熵合金在~10?3 s?1應(yīng)變速率和不同溫度下的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3. HEAs力學(xué)性能的理論、建模與仿真

3.1 理論、建模和/或模擬的主要目標(biāo)是將基本材料特性與宏觀材料行為聯(lián)系起來(lái)，主要思路見(jiàn)圖20和21.相關(guān)實(shí)驗(yàn)與理論的結(jié)合見(jiàn)圖22和23.

圖20 建模的基本思路：將基本材料的性質(zhì)與特定的變形機(jī)制聯(lián)系起來(lái)，從而觀察到宏觀的力學(xué)行為

圖21 一般的建模策略，其中力學(xué)預(yù)測(cè)理論提供材料屬性和機(jī)械性能之間的聯(lián)系，第一性原理計(jì)算提供化學(xué)輸入和原子模擬獨(dú)立揭示可能的機(jī)制，并測(cè)試和驗(yàn)證理論

圖22 FCC CoCrFeMnNi HEA的應(yīng)力（塑性）應(yīng)變曲線，在溫度T= 77k（藍(lán)色，上）、173k（綠色）、293 K（黃色）和423k（紅色，下）下測(cè)量的（符號(hào)）和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的（線）

圖23 兩種不同HEAs在T = 293 K時(shí)測(cè)量的位錯(cuò)激活體積V與初始屈服后應(yīng)力的Haasen圖

另外，MD模擬也可以在沒(méi)有任何基礎(chǔ)理論的情況下應(yīng)用，以揭示可能的機(jī)制或獲得對(duì)行為的一些半定量理解。對(duì)合金進(jìn)行MD模擬的主要問(wèn)題是，多組分合金通常不存在可靠的無(wú)人工干擾的原子間相互作用勢(shì)。即使是二元合金，高質(zhì)量的電勢(shì)也僅限于少數(shù)的FCC情況。

圖24 （a） Zhou等人的原子間作用勢(shì)和（b）利用柔性邊界條件的DFT預(yù)測(cè)了TiZrNb中沿螺位錯(cuò)線寬度為2b的兩個(gè)不同部分的螺位錯(cuò)核結(jié)構(gòu)的微分位移圖

由于HEA強(qiáng)化是通過(guò)通過(guò)合金的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)發(fā)生的，有一些與金屬?gòu)?qiáng)化相關(guān)的經(jīng)典基本概念被重新討論，以與HEA相互驗(yàn)證。

圖25幾種模型冪律塑料材料的應(yīng)力應(yīng)變，與相應(yīng)的數(shù)值推導(dǎo)的每一種合金的硬度值

在接下來(lái)的章節(jié)中，論文更詳細(xì)地闡述了HEAs力學(xué)行為的理論和建模進(jìn)展。

圖26 所示合金的初始屈服強(qiáng)度，預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)改建的數(shù)據(jù)

圖27 （a） FCC CoCrFeMnNi HEA的固溶（非霍爾-佩奇）對(duì)初始屈服強(qiáng)度與溫度的貢獻(xiàn)，如預(yù)測(cè)的（紅色符號(hào)）和測(cè)量的（黑色符號(hào)）；虛線表示使用略微不同的位錯(cuò)線張力值的預(yù)測(cè)。（b） Co-Cr-Fe-Mn-Ni族等成分合金在T=293 K時(shí)，非Hall - Petch對(duì)初始屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)與預(yù)測(cè)對(duì)比

圖28 標(biāo)準(zhǔn)化屈服強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化硬度與（CoCrFeMn）xNi1-x的成分，如測(cè)量的（黑色方塊），如Varvenne等人的理論預(yù)測(cè)的（灰色鉆石），和通過(guò)合金彈性模量的估計(jì)變化的理論預(yù)測(cè)的（灰色三角形）。

圖29 測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化初始屈服強(qiáng)度（外推到T = 0 K）與平方根原子位移，如測(cè)量的實(shí)驗(yàn)（黑色圓圈，CoCrFeMnNi）或DFT預(yù)測(cè)（黑色三角形）。

圖30 預(yù)測(cè)與理論的一系列BCC HEAs的初始屈服應(yīng)力，

圖31 在T = 300 K時(shí)，預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)相比，各種BCC HEAs的屈服。

圖32 Maresca和Curtin的無(wú)參數(shù)刃型位錯(cuò)模型預(yù)測(cè)了三種BCC HEAs的屈服強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。該理論捕獲了相對(duì)于合金成分的強(qiáng)化的總體幅度，盡管不能預(yù)測(cè)900-1200 K范圍內(nèi)的強(qiáng)度范圍

圖34 （a）純Ni、稀Ni- Fe和中熵Ni- Fe - Co合金的FCC刃型位錯(cuò)離解構(gòu)型的原子預(yù)測(cè)，表明層錯(cuò)分離的變異性隨著無(wú)序度的增加而增加[246]。（b） Fe-Co-Ni不銹鋼模型的局部堆垛錯(cuò)能（SFE）的原子映射，SFE是由每個(gè)原子周?chē)木植砍煞趾秃辖鹬羞吘壩诲e(cuò)的平衡配置定義的。局部SFE變化很大，部分位錯(cuò)調(diào)整以使涉及貢獻(xiàn)的總能量最小化