導讀：具有優異綜合力學性能的先進材料是人們迫切需要的，但在高強度材料中實現高延性一直是一個挑戰。在此，研究人員提出了一種新的V0.5Cr0.5CoNi中熵合金(MEA)，它具有密排的面心立方/六方晶格(FCC/HCP)的雙相超細晶粒(UFG)結構，在HCP固溶體中包含了堆垛層錯(SFs)和局部化學有序性(LCO)，以獲得在室溫下1476 MPa的超高屈服強度和13.2%的均勻伸長率。超高屈服強度主要來源於UFG FCC基體的細晶強化和內部SFs和LCO幫助下的HCP第二相強化;而較強的延展性與 UFG FCC 基體位錯存儲的卓越能力以及 FCC/HCP 邊界附近的變形誘導 SFs 消除應力集中的功能相關。本研究從設計新的組成成分和穩定的UFG結構為提高金屬材料力學性能提供了新的指導。
長期以來，在各種工程應用中，包括運輸、航空航天和能源部門，一直非常需要從材料方面中獲得高強度和出色延展性的卓越協同作用。但是，大多數提高強度的冶金策略通常是以降低延展性為代價的，這種普遍現象被稱為強度-延展性權衡。以前的工作主要集中在工程缺陷，如晶界、相干孿晶間界、高密度位錯，或調整傳統金屬材料中的高密度第二納米相，可以在一定程度上有效地解決這種權衡。儘管如此，傳統的基於single-principle-element體系的冶金策略已經接近其進一步提高性能的極限，特別是如何使超高強度合金獲得良好的延展性至今尚未得到很好的解決。
令人興奮的是，含有多主元的高熵合金 (HEA) 和中熵合金 (MEA) 的新型材料為調整合金的成分和微觀結構開闢了新的空間，為克服這一瓶頸提供了新的機會。具有面心立方 (FCC)、體心立方 (BCC)、六方密排 (HCP) 和正交晶體結構的 HEA 和 MEA 最近已被證實。然而，HEA和MEA的單相固溶體通常提供有限的強度，因此有必要引入其他有效的強化機制來實現高強度。幸運的是，一些旨在引入獨特的二次強化-增韌增強材料的多組分設計策略已經實現了卓越的強度-延展性組合，例如在 FCC+L12HEA 、難熔 HEA 中的有序間隙原子複合體，以及亞穩態雙相 HEA 或 MEA 中的相變誘導可塑性 (TRIP) 效應。同時，固有的嚴重晶格畸變和沒有晶體缺陷的UFG結構（1 µm）也是有效改善單相均質HEA和MEA的強度-延展性關係的關鍵參數。問題是這種單一的強化機制只能獲得適度的強度提升。因此，如何打破 HEA 和 MEA 中的強度-延展性權衡仍然是存在的，新的改進策略是非常歡迎的。
在此，中科院高壓科學與技術高級研究中心聯合東北大學、燕山大學、北京科技大學等高校聯合設計了一種新型的具有完全再結晶的 FCC/HCP 雙相 UFG 微觀結構的 V0.5Cr0.5CoNi MEA，以實現屈服強度 (1476 MPa) 和均勻伸長率 (13.2%) 之間的最佳平衡，其中納米級斷層 HCP 薄片在退火過程中，具有局部化學有序性（LCO）的 FCC 結構通過 Suzuki 機制（即 V 向 SFs 的偏析）從變形的 FCC 結構轉變，並均勻地嵌入到 UFG FCC 晶粒中。屈服強度和均勻伸長率之間的平衡可歸因於獨特的完全再結晶雙相UFG微觀結構，可實現實現顯著的細晶強化和納米尺度的HCP相強化，允許高密度位錯的存儲，激活堆垛層錯（SFs），並通過釋放 FCC/HCP 邊界處的應力集中來避免過早斷裂。特殊的雙相 UFG 架構可以通過包括冷軋 (CR) 和隨後的中溫退火 (725 °C/1 h) 在內的簡單製造路線獲得的。FCC/HCP雙相UFG結構的設計策略已被證明有效地克服了強度-延展性的權衡，因此，它為開發在惡劣條件下使用的有前途的重載結構材料開闢了一條新的途徑。相關研究成果以「Towards ultrastrong and ductile medium-entropy alloy through dual-phase ultrafine-grained architecture」發表於Journal of materials science and technology上。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222003565
圖 1 所示為不同處理狀態合金的 XRD 圖譜。(a) CR、CR725 和 CR900 的 XRD 圖譜。(b) CR725 的 XRD 圖案的 Lebail 細化。
圖 2.所示為CR 的微觀結構。(a) SEM-BSE 圖像顯示典型的變形微觀結構。(b) TEM-BF 圖像顯示高密度位錯和來自一個晶粒的相應 SAED。(c) 變形晶粒的 HRTEM 圖像，顯示 FCC 晶粒內有大量的 SF 束。插圖是對應於黃色框的快速傅里葉變換 (FFT) 模式。(d) 顯示具有代表性 SF的 HAADF-STEM 圖像。
圖 3所示：CR725 中的完全再結晶的雙相 UFG 結構。(a) 顯示 FCC/HCP 雙相 UFG 結構的 TKD 相圖。黑線和黃線分別與高角度邊界和孿晶界有關。(b) TKD 逆極圖 (IPF) 。(c) 顯示低密度位錯的雙相 UFG 結構的 TEM-BF 圖像。(d) FCC/HCP 雙相區的 HRTEM 圖像。插圖是 HCP 薄片中由青色框標記的區域的 FFT 圖案。(e) FCC 固體基質和 HCP 溶液薄片的相應 SAED 圖案。(f) FCC/HCP雙相區原子排列的HAADF-STEM圖像。
圖4所示:CR900的微觀結構。(a) EBSD逆極圖(EBSD-IPF)圖。(b)顯示FCC單相FG組織的EBSD相圖。黑線和黃線分別與高角邊界和孿晶界有關。
表 1：CR、CR725 和 CR900 的相組成、體積分數和晶粒尺寸（層狀厚度）。
圖5所示:雙相UFG結構中FCC基體和HCP片層對應的化學組成。(a) FCC/HCP雙相UFG結構的STEM圖像。(b)與(a)相同區域的STEM-EDS圖，分別顯示了V、Cr、Co和Ni在兩相中的分布。(c) (a)中紅框區域的放大圖和黃線所選區域對應的EDS組成譜圖。
圖 6所示：(a) CR、CR725 和 CR900 在室溫下的拉伸性能。插圖顯示了 CR725 的相應應變硬化率 (dσ/dε)。(b) 室溫下典型 HEA 和 MEA 的 εUE與 σYS的關係圖。
表 2所示：分別為 CR、CR725 和 CR900 的拉伸性能。
圖7所示:對於(a, c) VxCr1-xCoNi (x = 0,0.5和1)合金和(b, d) V14.35Cr21.12Co31.84Ni32.69(FCC相的測量成分，稱為V14.35), V0.5Cr0.5CoNi(名義成分，稱為V16.67)和V19.45Cr12.48Co33.31Ni34.76(測量的HCP相組成，稱為V19.45)在 0 K 時的理論廣義堆垛層錯能 (SFE)。γisf、γusf和γutf分別表示本徵SFE、非穩定SFE和不穩定孿晶能。(c)及(d)分別為(a)及(b)紫色方框所標示的局部區域的放大圖。
圖8所示:0 K時，V0.5Cr0.5CoNi合金順磁FCC (FCC PM)與順磁HCP (HCP PM)結構相的相對總能量隨Wigner-Seitz半徑的變化。
圖 9所示：CR725 的塑性變形機制。(a) 拉伸斷裂後的 TEM-BF 圖像。(b) 對應於 (a) 中 1 號 FCC 晶粒和 2 號 HCP 晶粒的 SAED 圖案。HCP 階段的 SAED 中的插圖顯示了對應於藍色框的放大視圖。(c) 對應於 (a) 中區域的另一個電子束入射方向的視圖。插圖顯示了 1 號 FCC 晶粒的相應 SAED。(d) (c) 中黃色框勾勒出的相同區域的放大圖。(e) SFs 的 HRTEM 圖像。插圖顯示了對應於青色框的 FFT 圖像。(f) 相應的快速傅里葉逆變換 (IFFT) 圖像，顯示了具有代表性的 SF。
總之，我們在這裡展示了隨機多主元 V0.5Cr0.5CoNi 固溶體可以通過簡單的製造調整為具有獨特的完全再結晶 FCC/HCP 雙相 UFG 結構以及屈服強度和均勻伸長率的優異組合路線。合理的化學成分調節導致低但合適的SFE，這有利於FCC基體通過Suzuki機制轉變為有缺陷的HCP薄片，通過V的輕微富集在HCP溶液中形成LCO，以及由於在CR725中動力學反應遲滯而形成的UFG微觀結構。屈服強度和均勻伸長率的組合主要源於細晶強化、納米級 HCP 相以及通過位錯和 SFs 激活多種硬化機理由。獨特的雙相UFG架構的卓越力學性能為航空航天、能源工業和交通運輸的極端應用提供了巨大的潛力，並且其設計理念可以推廣到指導其他具有優異性能的合金系統的設計。
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