上海大學Acta Materialia?：異質高熵合金一種簡便且可工業化推廣的途徑

【前言】

高熵合金(High-entropy alloys，簡稱HEAs)，通常由五種（或以上）等原子比或相近等原子比的金屬元素混合制成的新型合金。由于這種合金在設計具有優異機械、物理和化學性能的新材料方面具有很大潛力，目前在材料科學和工程領域備受關注。然而，和傳統合金一樣，高熵合金也存在一個關鍵的缺點：合金的強度越高，其延展性和韌性越小。

為解決強度和塑性之間的矛盾，近年來，通過設計復雜的工藝條件，在合金材料內部引入異質結構，進而調和強度和塑性的相互矛盾，提高材料的綜合機械性能成為結構金屬材料的研究熱點。更進一步，如何通過簡單而且適用性較廣的工藝路線，在合金材料內部引入異質結構來優化高熵合金的綜合機械性能？成為了高熵合金作為結構材料應用而亟需解決的關鍵問題。

【圖文簡介】

本研究采用室溫冷軋然后中溫退火（600 ^oC）的工藝方法，成功制備了具有異質結構的高熵合金（異質高熵合金）。其結構如圖1所示。

圖1 異質高熵合金的顯微組織。

(a) 背散射電子圖。(b-g) 三種晶粒的透射電鏡圖。

很明顯，600 ℃退火后的冷軋高熵合金形成了異質結構。這種異質結構由三種晶粒組成：拉長型晶粒（NR1），部分再結晶晶粒（NR2）和再結晶晶粒（R）。體積分數比（NR1?: NR2: R）為10 : 37 : 53。當引入異質結構以后，顯著改善了強度-塑性綜合力學性能，其中屈服強度比完全再結晶組織提高了1倍，同時延伸率保持了71.5 %。力學性能如圖2所示。這就引發了我們的思考：為什么異質結構能夠強化材料的同時還賦予了材料優異的加工硬化能力呢？

圖2?異質高熵合金的拉伸力學性能。

通過加載-卸載-再加載，掃描電鏡下的原位拉伸和透射電子顯微鏡測試，本研究系統地闡述了異質高熵合金在不同應變階段的加工硬化機制與異質結構的關聯。結果發現，異質高熵合金高的屈服強度源自內部巨大的背應力，優異的加工硬化能力則是由于塑性變形激發了多種加工硬化機制，如背應力強化，孿晶強化和位錯強化。

當應變很低時，異質結構的背應力隨應變增大而增大使材料強化，如圖3所示。

?圖3?異質高熵合金的包申格效應，有效應力（σ_eff）和背應力（σ_b）。

繼續增加應變先后激發異質結構的非再結晶晶粒和再結晶晶粒孿晶變形，同時增加強度和塑性，如圖4所示。

圖4 異質高熵合金在不同應變下形變孿晶的透射電鏡圖。

(a) 5.6 %應變下非再結晶晶粒內的形變孿晶。(b) 13.6 %應變下的形變孿晶。17.7 %應變下 (c) 非再結晶晶粒，和 (d) 再結晶晶粒內的形變孿晶。

當應變較高時，如圖5所示，異質結構的位錯密度隨應變增加而增大，位錯強化使合金的強度進一步提高。

圖5?應變17.7 %時異質高熵合金 (a-b) 非再結晶晶粒，和 (c-d) 再結晶晶粒的位錯密度。

本研究為設計制造高強高韌高熵合金提供了一種簡便且可工業化推廣的途徑，并且系統揭示了異質結構的強韌化機理。

注：上述研究發表于Acta Materialia?165：444 – 458（2019），

鏈接地址可見 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645418309546#undfig1?或 DOI: 10.1016/j.actamat.2018.12.012，另外非我們工作的內容來自網絡，表示感謝。

本文由上海大學伍詩偉供稿，材料人編輯部編輯。

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