一作专访||北工大团队金属顶刊Acta Mater.：一箭双雕！高熵合金强度、延展双提升！

一、【导读】

由于具有轻质、节省能源和结构增强的性质，高屈服强度和延展性的合金在人们生产生活中得到了广泛的应用。高熵合金（HEA）作为一类金属合金，其成分中具有摩尔比例大致相等的主元素。按照惯例，元素的最小数量被定义为五个。自从在CuCoNiCrAl_xFe和FeCrMnNiCo合金中发现了这一概念以来，在过去的二十年里已经发明了许多新的合金系统。因此，与传统合金相比，许多高熵合金具有优越的机械性能，例如高极限强度、高断裂韧性、高抗疲劳性、高弹性应变极限（~2%）和高温下的机械性能。大多数高熵合金存在于两种主要类型的晶体结构中，即体心立方（BCC）和面心立方（FCC）结构。然而，传统合金仍然存在一个共同的挑战：随着强度的增加，延展性降低。一般情况下增加强度通常以牺牲延展性为代价，因此强度-延展性之间的权衡成为合金材料发展的重点。

二、【成果掠影】

在此，北京工业大学韩晓东教授和毛圣成研究员，澳大利亚西澳大学刘亦农教授（共同通讯作者）探索了一种在CoCrFeNiMn面心立方（FFC）高熵合金中使用非均匀晶粒尺寸结构和减少堆垛层错能的策略，以克服强度-延展性这种权衡的局限性。因此，得益于多种机制的协同应变硬化，例如异质变形诱导（HDI）硬化，变形孪生，Frank-Read位错源和Lomer-Cottrell位错锁，本文制备的合金实现了980 MPa的屈服强度，1385 MPa的抗拉强度和48%的拉伸失效伸长率，这些变形的微观机制有助于通过原位细化位错的平均自由程来硬化合金。

相关研究成果以“Inherent and multiple strain hardening imparting synergistic ultrahigh strength and ductility in a low stacking faulted heterogeneous high-entropy alloy”为题发表在Acta Materialia上。

三、【核心创新点】

1.本文为非均匀变形诱导硬化（HDI）创建一个双峰晶粒异质组织，提高了强度，并通过精心的成分设计来降低堆垛层错能（SFE），以促进变形孪晶的形成和活动，以获得更好的延展性。

2.本文可以在不影响单相FCC HEA延展性的情况下进一步提高强度，为设计高性能高熵化合物提供了有用的信息。

四、【数据概览】

图1不同条件处理后Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈HEA的微观结构© 2023 Elsevier

（a）合金在不同处理条件下的XRD模式，包括均质、冷轧和退火；

（b）均质样品的微观结构图；

（c）RA-730样品的显微结构；

（d）RA-780样品的显微结构；

（e）RA-780样品高放大倍数下的显微结构；

（f）与（d）对应的晶粒错位角的分布；

（g）与（d）对应的核平均方向映射；

（h）RA-820样品的显微结构；

（i）与（h）对应的晶粒错位角的分布。

图2不同条件处理后Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金经不同处理后的微观结构© 2023 Elsevier

（a）RA-780样品的BF-STEM图像;

（b）更高放大倍率下的BF-STEM图像；

（c）变形晶粒的高分辨率HAADF-STEM图像；

（d）小重结晶晶粒的TEM图像；

（e）再结晶颗粒内部的HRTEM图像；

（f）重结晶颗粒的DF-TEM图像；

（g）均质样品的TEM图像；

（h）RA-730样品的TEM图像；

（i）RA-820样品的TEM图像；

图3在不同热试验状态下Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金的力学性能© 2023 Elsevier

（a）均质样品和三个退火样品的拉伸工程应力-应变曲线；

（b）对应的四个样品的真实应力-应变曲线和应变-硬化速率曲线；

（c）分别在9.5%和34.6%真实应力下RA-780样品的冯·米塞斯应力图；

（d）RA-780样品在拉伸破裂后的光学图像；

（e）RA-780样品破裂表面的SEM图像。

图4 Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金与其他合金的拉伸性能对比© 2023 Elsevier

（a）Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金与普通合金的屈服强度和拉伸伸长率的对比；

（b）Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金与普通合金的极限抗拉强度和抗拉伸长率的对比；

（c）Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金与普通的高熵合金的屈服强度和拉伸伸长率对比；

（d）Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈合金与普通的高熵合金的极限拉伸强度和拉伸伸长率对比。

图5 RA-780样品的HDI硬化© 2023 Elsevier

（a）RA-780样品的应力应变曲线；

（b）重新加载的滞后回线；

（c）RA-780样品的HDI应曲线；

（d）RA-780样品的HDI硬化率；

图6 RA-780样品在2%拉伸应变下的微观机理© 2023 Elsevier

（a）重结晶晶粒的HAADF-STEM图像；

（b）再结晶晶粒和变形晶粒的TEM图像；

（c）再结晶晶粒区域的TEM图像；

（d）变形晶粒的高密度缺陷的微观结构；

（e）在（d）中可见的变形颗粒内部的DF-TEM图像；

（f）放大后变形颗粒内部的BF-TEM图像。

图7 RA-780样品在10%应变下重结晶晶粒的变形机理© 2023 Elsevier

（a）BF-STEM图像显示了高密度的堆积断层；

（b）HAADF-STEM图像显示了堆叠网络结构；

（c，d）高分辨率的HAADF-STEM图像显示了Lomer-Cottrell位错锁；

（e）在（d）中所示的区域的水平晶格正态应变分布图；

（f）在（d）中显示的HAADF-STEM图像的重叠图像。

图8 不同应力条件下RA-780样品重结晶晶粒的变形机理© 2023 Elsevier

（a）HAADF-STEM图像显示了一个材料的高度变形；

（b，c）HAADF-STEM图像显示变形后的堆积断层；

（d）HAADF-STEM图像显示了分层的纳米孪晶；

（e，f）HAADF-STEM图像显示二次变形孪晶。

图9 RA-780样品在原位变形过程中的位错运动© 2023 Elsevier

（a）在原位变形的早期阶段，再结晶晶粒（RG）和变形晶粒（DG）区域的TEM图像；

（b-f）同一区域在不同变形阶段的连续TEM图像；

（g）晶界附近的位错运动示意图。图10 RA-780样品的变形机理和应变硬化机理© 2023 Elsevier

（a）变形机理过渡的示意图；

（b）多重应变硬化机制导致了位错平均自由程的原位细化。

五、【成果启示】

综上所述，本研究研究了一种新的合金设计策略，通过将非均匀结构纳入堆垛层错能合金中，实现了高强度和延展性的同时提升。结果表明：1）Co₃₀Cr₂₀Fe₁₈Ni₁₄Mn₁₈能够将堆垛层错能降低到16.3 mJ/m²，相当于原有材料的61%；2）在780°C下热处理合金10 min，得到的微观结构包括微观晶粒结构的异质性和位错、层错、变形孪晶和退火孪晶的纳米尺度缺陷的异质性；3）非均匀组织合金的屈服强度为980 MPa，极限抗拉强度为1380 MPa，拉伸伸长率为48%；4）RA-780样品具有较高的强度-延性性能。

【作者专访】

材料人对本文的第一作者安子冰进行了专访。

1.您好，首先恭喜韩老师团队在金属领域又发表了重要成果。实际上，合金材料已经广泛应用于各行各业，但同时兼具高强度和延展性质的材料鲜有提及，本文就实现了这一性能要求。想请问一下您，本文提出的克服强度-延展性这种权衡的局限性策略的灵感源自于什么？

答：非常感谢材料人的提问。正如您所说，追求兼具高强度和高塑性的金属材料是材料学家的永恒追求。然而不幸的是金属材料却存在强度-塑性倒置的矛盾关系。为了打破这种倒置关系或者将强度-塑性推到最佳组合是该领域的研究热点与难点。最近研究表明，非均匀显微结构设计能够有效地提高材料强度与塑性。这一灵感也源于大自然中的材料，比如，竹子、贝壳等都是一种非均匀的材料。其次，FCC金属材料随着层错能的降低，会引入多种塑性变形机制，从而提高材料加工硬化能力。因此，本文结合这两种强韧化方法，希望获得材料力学性能的突破。

2.在文章中，提到性能的提升得益于多种机制的协同作用，实现了合金超高的屈服强度和抗拉强度，那您认为哪一种机制在这里面发挥的作用最大？

答：这是一个非常好的问题，在本文中我们也做了强度及塑性的解释。通过循环拉伸实验可知，异构变形诱导强化占据了材料屈服强度的~56%，并且在整个拉伸过程中一直占据主要地位。

3.当然，如果将这成果进一步推广，必然将会推动产业界的发展，但有一些重要因素，成本和制备流程就必须考虑。因此，本文提出的策略进一步推进和在生产生活中的应用前景如何？

答：非常好的问题，谢谢提问。高熵合金从2004年发展到现在，取得了非常多的并且高质量的研究成果。但是，距离具体应用还有一段距离。高熵合金含有多种贵金属，这导致其价格较贵，使其应用受限。目前研究仍主要集中在科学问题上。

4.实际上，本文提出的同时提高合金强度和延展性的策略已经大幅度提高了合金的性能，下一步还可以从哪些方面去优化？

答：下一步，可以考虑调控异质结构的比例和空间分布等，从而进一步改善合金力学性能。

文献链接：“Inherent and multiple strain hardening imparting synergisticultrahigh strength and ductility in a low stacking faulted heterogeneoushigh-entropy alloy”（Acta Materialia，2023，10.1016/j.actamat.2022.118516）

本文由材料人CYM编译供稿。