西工大Nature 子刊：新思路，让共晶合金既强又塑

一、 导读

优异的延展性不仅对成形至关重要，而且对强化金属和合金也至关重要。迄今为止，最广泛使用的共晶合金由于有限的塑性，在先进结构材料中面临竞争力下降的问题。共晶合金在人类文明史上占据了主导地位，如农业社会中的铸铁，现代工业中的铸造铝合金，以及先进金属材料中的共晶高熵合金。优异的可铸造性，无偏析/缺陷，以及自生的双相使共晶合金在低成本的量产和优异强度-塑性组合方面具有显著优势。随着先进结构材料的快速发展，这些优势正在消失，因为共晶合金的变形性能不理想。共晶合金在单轴拉伸过程中，弱界面，包括相界(PBs)和晶界(GB)的开裂导致合金过早失效。这种情况导致共晶合金的拉伸伸长率较低。延缓裂纹萌生和阻止裂纹扩展是迄今为止维持共晶合金应变硬化的唯一成功途径:例如，通过控制凝固过程细化组织，通过热成形或严重塑性变形再结晶两相，然后进行后续退火。虽然这些方法延缓了共晶合金的早期断裂，但由于大量裂纹形核，共晶相的应变硬化并没有完全触发，因此获得超塑共晶合金仍然具有挑战性。

二、成果掠影

近日，西北工业大学王锦程教授团队报告了一种独特的相选择再结晶概念，通过完全触发双相的应变硬化能力来克服共晶合金的这一挑战。本工作对共晶高熵合金(EHEA)中两相的应变分配行为进行了调控，得到了完全再结晶的软相嵌在硬相骨架中的相选择性再结晶显微组织。由此产生的微观组织消除了弱边界，充分释放了EHEA的应变硬化能力。相选择性再结晶EHEA在真应力为~ 2 GPa的情况下获得了~ 35%的高延性均匀伸长率。这一概念适用于各种具有软硬相的双相合金，为传统共晶合金作为高强度金属材料开辟了新领域。西北工业大学博士生吴庆峰和青年教师何峰教授为共同第一作者，西北工业大学王锦程教授、王志军教授为共同通讯作者。相关成果以“Phase-selective recrystallization makes eutectic high-entropy alloys ultra-ductile”为题发表在国际知名期刊Nature communications期刊上。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32444-4

三、核心创新点

(1) 首次提出双相选择再结晶概念，有助于变形过程中加工硬化的释放，提高合金的塑性；为共晶合金塑性的有效提高开辟了新途径。

(2)揭示了软相-硬相组织协调变形的机制。

四、数据概览

图1 PSR EHEA的显微组织和力学性能；a-c，AC、FR和PSR EHEAs中FCC(上)和B2(下)相的电子背散射衍射(EBSD)反极图(IPF)图。插页显示相应的极图(PF)；d AC、FR、PSR EHEAs的拉伸真应力-应变曲线；e，与传统的AC、FR和UFG EHEAs相比，现有的PSR和进一步强化的PSR EHEAs的极限抗拉强度与均匀延伸率。

图2 PSR EHEA的断裂机制；a. AC、FR和PSR EHEAs的应变硬化速率曲线；b-d AC、FR和PSR EHEAs的断裂截面和表面。B2相内的微裂纹用黄色箭头表示。c中的插图显示了典型微裂纹周围B2相的EBSD IPF图，揭示了裂纹在GB处萌生；d中的插图比较了FR和PSR EHEA之间的微裂纹数量密度，揭示了PSR EHEA的开裂倾向下降。误差条表示标准偏差；e、f， μ-DIC结果表明，AC EHEA和PSR EHEA在拉伸变形过程中应变局部化严重，PSR EHEA应变分布均匀。所有图像的拉伸方向都是水平的。

图3 PSR EHEA的变形机理；a. 断裂AC EHEA中形成位错亚结构；b、c. 位错亚结构分别出现在18%和35%拉伸的PSR EHEAs中；d-f. 断裂PSR试样原始B2相分别从[001]、[011]、[11]晶带轴获得的SAED图，显示出体心四方(BCT)晶体结构；超晶格用红色圆圈标出；g. 变形前后晶体结构变化示意图.

图4 PSR的加工路线及形成机制；a. 加工路线和相应的微观结构演变示意图。对PSR, AC EHEA进行30%冷轧(CR)， 1200℃退火2次。FCC相、B2相、PB、GB/TB分别用青色、黄色、黑色、红色标注；b. AC EHEA在拉伸试验中的原位μ-DIC结果，揭示了FCC相和B2相在变形过程中的应变分配。c. 局部von Mises应变沿b中黄色箭头的变化，显示出更高的应变分配到FCC相。

五、成果启迪

非均匀异质结构是一种非常有效的可以同时提高合金强度和塑性的显微结构，已经在众多材料中获得了应用。本文提出的选择再结晶概念，是对异质结构的进一步深入探索，具有普适性。