Acta Mater.：AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金高強度和高延展性的微觀解析

【引言】

單相高熵合金(HEAs)因其獨特的原子結構與性能而受到廣泛的關注，然而HEAs無法同時具備高屈服強度與高延展性，因而在工業應用中受到一定的制約。最近Lu等人提出了共晶高熵合金(EHEAs)的概念，并制備了AlCoCrFeNi_2.1 雙相高熵合金，可適用于各種工程應用，那么它是如何獲得如此優異的性能呢，本文則對EHEAs優異性能進行了微觀層面的探究。

【成果簡介】

近日，南京理工大學趙永好教授(通訊作者)在Acta Mater.上發表了一篇題為“Microstructural origins of high strength and high ductility in an AlCoCrFeNi_2.1 eutectic high-entropy alloy”的文章。在該文章中研究人員采用傳統鑄造工藝制備面心立方(FCC)(L1₂)/體心立方(BCC)(B2)調制層狀結構AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金，獲得極限拉伸強度(1351 MPa)和延展性(15.4%)，并采用TEM、APT等手段分析了優良強度 - 延展性和變形機理的微觀起源。

【圖文解讀】

表一 AlCoCrFeNi_2.1成分

圖一 式樣相組成分析

(a) XRD圖譜；

(b) EBSD圖；青色表示FCC(L1₂)相，黃色表示BCC(B2)相，黑色表示相界，紅色表示大角度晶界。

圖二 拉伸應力-應變曲線

極限拉伸應力為1100±50MPa，延展性為18±2%，轉換為真應力為1351 MPa，延展性為15.4%。

圖三 式樣SAEDs圖

(a) 式樣層狀結構明場像；FCC(L1₂)相晶帶軸為[110]，BCC(B2)相晶帶軸為[001]；

(b) L1₂相SAEDs圖；

(c) B2相SAEDs圖；

(d) 區域A放大圖，顯示出平行位錯陣列與堆垛層錯；

(e) 區域B放大圖，顯示出滑移痕跡。

圖四 式樣部分區域明場TEM圖

(a) 低倍率TEM圖；

(b) 區域C高倍率TEM圖，可以看到兩條相交的{111}[110]滑移線；插圖為L1₂相SAED圖；

(c-d) 區域D放大圖，可以看到晶帶軸為[001]的BCC(B2)相的納米沉淀相；插圖為B2相SAED圖。

圖五 形變后BCC(B2)相的明場TEM圖

(a) TEM圖顯示[001]晶帶軸上兩個相交滑移帶，插圖為B2相的SAED圖；

(b) TEM圖可以看出箭頭形位錯。

圖六 納米沉淀相APT表征

(a) 樣品3-D原子圖；60%Cr等濃度表面顯示富Cr納米沉淀相輪廓；

(b) BCC相3-D原子圖，含有大量納米沉淀相；

(c) 富Cr納米沉淀相尺寸分布。

圖七 納米沉淀相濃度分布

(a) 富Cr納米沉淀相1-D濃度曲線；

(b) 相界1-D濃度曲線。

圖八 特殊納米沉淀相分析(富含Fe、Cr，缺乏Al、Ni、Co)

(a) 3-D原子圖；

(b) 1-D濃度分布。

圖九 合金HETEM表征

(a) FCC(L1₂)相包含三個堆垛層錯；

(b) 堆垛層錯放大圖；

(c) 相界與堆垛層錯的HRTEM圖；

(d) BCC(B2)相中納米沉淀相的HRTEM圖；插圖為傅里葉變換。

圖十 BCC相斷裂模式SEM圖

(a) 裂紋在BCC(B2)相的一端成核，然后通過具有徑向條紋(紅色實線標記)的魚骨形裂紋，傳播到另一端;

(b) 裂紋在BCC(B2)和FCC(L1₂)相界處成核，沿與相界呈45°方向擴展。

【小結】

本研究使用鑄造技術制備AlCoCrFeNi_2.1 EHEA。拉伸試驗表明，EHEA具有高強度和高延展性。通過XRD，EBSD，SEM，TEM和APT以及HRTEM進一步分析形變前后的AlCoCrFeNi_2.1 EHEAs。 主要結論如下：

1.顯微結構分析顯示，AlCoCrFeNi_2.1 EHEA具有3-D常規FCC(L1₂)/ BCC(B2)復合結構，即具有半數的2-D細層狀半共格界面FCC(L1₂)/ BCC(B2)結構 。在B2相中存在高密度的富Cr納米沉淀相。

2.形變后分析揭示了具有高密度平行位錯陣列和致密長直位錯滑移跡線{111}以及FCC(L1₂)相中大量堆垛層錯的平面滑移，有助于AlCoCrFeNi_2.1的高應變硬化和延展性。此外，在BCC(B2)相中發現位于兩個{110}滑移帶上的富Cr納米沉淀相釘扎的高密度位錯，有利于高強度。此外，固溶強化和半共格邊界通過釘扎位錯也有利于高強度。

3.斷口分析顯示FCC(L1₂)相為韌性斷裂和BCC(B2)相為脆性斷裂。在BCC(B2)相中發現了幾種斷裂模式，包括具有徑向條紋的魚骨形斷裂和45°剪切斷裂，并且在FCC(L1₂)相中發現了通過頸縮成一條清晰線條的完美塑性變形。在拉伸過程中，裂紋首先通過應力集中和鑄造收縮腔在相邊界上成核，然后在BCC(B2)相中擴展，導致BCC(B2)相斷裂，FCC(L1₂)相最終通過負載進一步斷裂。

4.AlCoCrFeNi_2.1 EHEA的高強度和高延展性起因于拉伸變形期間韌性FCC(L1₂)相和脆性BCC(B2)相之間的復合背應力。

文獻鏈接：Microstructural origins of high strength and high ductility in an AlCoCrFeNi_2.1 eutectic high-entropy alloy(Acta Mater., 18 July, 2017, DOI:10.1016/j.actamat.2017.07.041)

本文由材料人編輯部金屬學術組liunian投稿，材料牛編輯整理。

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