悉尼大学廖晓舟佐治亚理工学院朱廷课题组 Acta Mater.: 揭示CrCoNi合金FCC-HCP-FCC双相变过程

引言

多主元合金（包括高熵合金和中熵合金）是由多种元素按照相近或相等摩尔比混合形成的一种新型合金。因其非同寻常的组分构成和化学结构，拥有一系列优异的物理、化学和力学性能，具有广泛的应用前景。

作为典型的多主元合金，CrCoNi中熵合金在室温和低温下均具有优异的力学性能，超过了大多数中高熵合金和传统合金。这主要归因于变形过程中出现的大量孪晶以及面心立方(FCC)和密排立方(HCP)之间的相转变。迄今为止，这些被观察到的变形机制皆已在传统金属合金中报道过，目前尚不清楚CrCoNi中熵合金中是否存在可以显著提高力学性能未知变形机制。探索未知的变形机制，以及他们之间的竞争或协同关系将为进一步提升合金的力学性能提供有力的理论支撑。

成果简介

近日，西南大学陈玉洁博士（共同第一作者）、上海交通大学陈登科副教授（共同第一作者）、澳大利亚阿德莱德大学谢宗翰教授，澳大利亚悉尼大学廖晓舟教授（共同通讯作者）、安祥海博士（共同通讯作者）、美国佐治亚理工学院的朱廷教授（共同通讯作者）和张寅博士等人，结合扫描透射电镜（STEM）分析和分子动力学（MD）原子模拟，发现并解释了在双相（FCC和HCP）纳米结构CrCoNi中熵合金中的一种新的变形机制：从FCC相到HCP相再到FCC相（孪晶）的双相变。

研究人员对CrCoNi中熵合金微柱进行原位压缩实验，利用透射电镜表征远离剪切带、近剪切带以及剪切带内部三种局部区域的原子特征。由于这些空间区域承受着不断增大的剪应变，其显示出的HCP相主导，FCC+HCP双相混合以及FCC孪晶相主导揭示了原子结构时间序列上的演化，即同一个区域内原子结构从FCC相到HCP相，再到 FCC孪晶相的双相变过程。实验和原子模拟揭示了这种双相变来自于：（1）FCC相密排面{111}以及HCP相密排面{0001}的这一公共相面巧妙的易滑移能力，双相变可以通过原子层分别在FCC相和HCP相的密排面上沿同一方向（FCC<112>方向和HCP<110>）持续剪切滑移实现；（2）CrCoNi中熵合金负堆垛能或者低堆垛能的物理特性使得偏位错在密排面上滑移的能量惩罚比较弱。与此同时，原子模拟得到的不同相原子能量密度随剪应变变化的规律也在热力学上支持FCC相到HCP相再到FCC孪晶相的双相变过程。

相关成果以“Unraveling dual phase transformations in a CrCoNi medium-entropy alloy”为题发表在Acta Materialia（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117112）。该项工作的合作者还包括香港城市大学周志烽博士、瑞典皇家理工学院卢松博士、新南威尔士大学Paul Munroe教授以及西南大学张善勇教授。

图文导读

图1:双相CrCoNi中熵合金薄膜的微观结构

（a）典型的截面TEM低倍明场像显示出柱状晶结构。

（b）HAADF-STEM像展示了几个纳米厚的FCC和HCP相共存

（c）FCC和HCP相中存在大量层错和孪晶界

图2:CrCoNi合金中剪切带内及附近区域的微观结构演化。

（a）CrCoNi微柱被压缩到22%应变后的SEM图像

（b）变形引起的剪切带的HAADF-STEM图像

（c-f）图（b）中的（c-f）区域的放大高倍HAADF-STEM像；这些区域的局部剪切应变随着距剪切带中心距离的缩短而递增

图3 -CrCoNi合金双相变的示意图

(a-b) 双相变的示意图

(e-h）FCC相到HCP相的几何滑移图

(h-j）HCP相到FCC相的几何滑移图

图4：CrCoNi中熵合金不同相原子能量密度随应变变化图

（a-c）FCC相，HCP相以及FCC孪晶相

（d）相应的原子能量密度随剪应变变化曲线

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