【引言】

高熵合金具有變化范圍極大的局域化學(xué)環(huán)境，通常具有大于1.5R的構(gòu)型熵。受到一個相似概念啟發(fā)，中熵合金得以發(fā)展，其構(gòu)型熵在1R至1.5R之間。例如，典型的三元NiCoCr中熵合金，具有無序面心立方結(jié)構(gòu)，在室溫和低溫環(huán)境下均具有優(yōu)于FeCoNiCrMn高熵合金的力學(xué)性能。然而，有關(guān)中熵合金顯微結(jié)構(gòu)敏感度，特別是關(guān)于合金化和制備方法的研究極為有限，而該方面的研究或許會為提高中熵合金的性能提供新的啟示。

【成果簡介】

近日，德國馬克斯-普朗克鋼鐵研究所的Junyang He和Surendra Kumar Makineni（共同通訊作者）與北京科技大學(xué)、英國帝國理工學(xué)院的同行合作，在Script Materialia上發(fā)表了題為“On the formation of hierarchical microstructure in a Mo-doped NiCoCr medium-entropy alloy with enhanced strength-ductility synergy”的文章。作者通過Mo摻雜和熱機械過程相結(jié)合的優(yōu)化方案，證明了NiCoCr中熵合金中分層結(jié)構(gòu)的形成會導(dǎo)致屈服強度和極限拉伸強度的顯著提升，同時斷裂延伸率也提高了35%。Mo的增加會減緩700℃時冷軋合金的結(jié)晶動力學(xué)。經(jīng)過4小時退火，顯微結(jié)構(gòu)由較軟的再結(jié)晶部分和較硬的未結(jié)晶區(qū)域組成，此外還有彌散的σ偏析物、退火孿晶和殘留的堆垛層錯/納米孿晶，實驗表明以上組成對總體力學(xué)行為都有貢獻。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：低倍放大的ECC顯微結(jié)構(gòu)表征。

(a)Mo摻雜中熵合金在冷軋后900℃/1h退火的完全再結(jié)晶結(jié)構(gòu)；

(b)Mo摻雜中熵合金在冷軋后700℃/4h退火的部分再結(jié)晶結(jié)構(gòu)；

(c)在部分再結(jié)晶的Mo4-PR中熵合金的預(yù)先再結(jié)晶區(qū)域中，均勻分布著細(xì)小的未再結(jié)晶區(qū)域和再結(jié)晶晶粒；

(d)圖(c)中顯微結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)：細(xì)小的未再結(jié)晶區(qū)域；

(e)圖(c)中顯微結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)：再結(jié)晶晶粒；

(f)包含上述所有特征的Mo4-PR中熵合金顯微結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 2：對再結(jié)晶區(qū)域偏析物的原子結(jié)構(gòu)和成分表征。

(a) 低倍放大的HAADF-STEM圖像顯示晶界處存在一種偏析物；

(b) 高倍放大的HAADF-STEM圖像顯示連接FCC的γ-基底和σ相的界面區(qū)域；

(c) 表示含有部分σ偏析物的Mo4-PR樣品中Ni（綠色）和Mo（紅色）分布情況的APT分布圖；

(d) 穿過11 at.% Mo等成分表面的近鄰直方圖揭示了偏析物和基底之間的元素劃分。

圖3：部分再結(jié)晶和完全再結(jié)晶的Mo4-PR中熵合金比較拉伸性質(zhì)。

(a)工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，有來自 [39]的數(shù)據(jù)；

(b)應(yīng)力/加工硬化速率和真實應(yīng)變的關(guān)系曲線；

(c)DIC分布圖顯示Mo4-PR樣品中斷裂前的應(yīng)變分布情況。

圖4：ECC圖像顯示部分再結(jié)晶Mo4-PR樣品中不同局域應(yīng)變程度的變形顯微結(jié)構(gòu)。

(a&b) 12%局域應(yīng)變處，早期形變階段多形成堆垛層錯；

(c&d) 15%局域應(yīng)變處，致密的臺階狀形變孿晶傳播通過了再結(jié)晶晶粒；

(e&f) 50%局域應(yīng)變處，較多相交的多重形變孿晶仍然存在于模糊的襯度之外。

【小結(jié)】

總的來講，作者通過Mo摻雜和熱機械過程相結(jié)合的方式，展示了NiCoCr中熵合金中分層顯微結(jié)構(gòu)形成的可能性。最佳組合結(jié)果會產(chǎn)生部分再結(jié)晶態(tài)，中熵合金的屈服強度表現(xiàn)出顯著的增加，比完全再結(jié)晶的樣品高出60%。從而催生出了分層結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，例如再結(jié)晶和未再結(jié)晶區(qū)域，Mo/Cr富集的σ-偏析相，退火孿晶和殘留的堆垛層錯/納米孿晶。合金發(fā)生塑性形變時先通過堆垛層錯的多處形變隨后孿晶形變導(dǎo)致總體的加工硬化和韌性。該工作證明了中熵合金對合金化和熱機械過程十分敏感，會產(chǎn)生分層顯微結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性質(zhì)的提高，有助于進一步拓寬結(jié)構(gòu)應(yīng)用材料設(shè)計的范圍。

文獻鏈接：On the formation of hierarchical microstructure in a Mo-doped NiCoCr medium-entropy alloy with enhanced strength-ductility synergy （Script Mater.,2019, DOI:  10.1016/j.scriptamat.2019.08.036）