導(dǎo)讀：高熵合金（HEA）作為一類新興材料，為開(kāi)發(fā)具有綜合性能優(yōu)良的合金指明了一條道路。浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院蔣建中等人通過(guò)調(diào)整成分來(lái)設(shè)計(jì)基于CoNiV的面心立方/B2雙相HEA，該合金具有超高的GPa級(jí)拉伸屈服強(qiáng)度和從低溫到高溫的優(yōu)異延展性。在已報(bào)道的韌性材料中，獲得了最高的比屈服強(qiáng)度（~150.2mpa·cm3/g）。本文介紹的合金在較寬溫度范圍內(nèi)保持這種優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性協(xié)同作用的能力得到了多種變形機(jī)制的幫助，即：孿晶、層錯(cuò)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。研究結(jié)果為在較寬的使用溫度范圍內(nèi)設(shè)計(jì)具有先進(jìn)強(qiáng)度-延性組合的沉淀強(qiáng)化輕質(zhì)HEA開(kāi)辟了道路。

冶金學(xué)家一直夢(mèng)想在一個(gè)溫度下同時(shí)制造具有超高抗拉強(qiáng)度和優(yōu)異延展性（>30%塑性應(yīng)變）的合金，在更寬的溫度范圍內(nèi)更好。合金的力學(xué)性能顯著依賴于使用溫度，對(duì)于特定合金來(lái)說(shuō)，在較寬的溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性組合是極其困難的。先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料必須具有高損傷容限，而不會(huì)過(guò)早斷裂。與傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)相比，近年來(lái)出現(xiàn)的高熵合金（HEA）或中熵合金（MEA）提出了一種非傳統(tǒng)的概念和方法。這些HEA和MEA是一類由多主元素組成的新型材料，可能具有廣泛的性能組合。面心立方（fcc）CrCoNi系HEAs的特點(diǎn)是其室溫屈服強(qiáng)度較低，而體心立方（bcc）系HEAs耐火元件的延展性不足。由于早期的HEA研究主要集中在單相微結(jié)構(gòu)上，由于機(jī)械性能有限，它們從實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的材料過(guò)渡到先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料成為一個(gè)主要缺點(diǎn)。盡管fcc結(jié)構(gòu)HEA在冷態(tài)時(shí)通過(guò)激活額外的變形機(jī)制（如孿晶、相變和最近的非晶化）變得更強(qiáng)，但在室溫下獲得超高屈服強(qiáng)度一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。

據(jù)報(bào)道，釩是M/HEA中的一種重要元素，通過(guò)嚴(yán)重的晶格畸變和fcc和bcc結(jié)構(gòu)基體中的大失配體積，提供了強(qiáng)固溶硬化。在fcc基M/HEA中，fcc結(jié)構(gòu)的CoNiV表現(xiàn)出最高的屈服強(qiáng)度，此外還具有較高的耐腐蝕性和氫脆性。這使得含V的M/HEA成為用于潛在結(jié)構(gòu)應(yīng)用的目標(biāo)組。在獲得具有優(yōu)異強(qiáng)度-延性協(xié)同效應(yīng)的M/HEA方面，一種常用的開(kāi)發(fā)技術(shù)是通過(guò)向固有fcc結(jié)構(gòu)的基質(zhì)中控制Al添加作為bcc相穩(wěn)定劑來(lái)促進(jìn)第二相納米顆粒（即原位沉淀增強(qiáng)合金）。這為開(kāi)發(fā)具有超強(qiáng)力學(xué)性能的輕質(zhì)新型合金（由于鋁的低密度）提供了令人振奮的前景。在對(duì)本論文進(jìn)行審查的同時(shí)，最近發(fā)表了一篇論文，其中向VCoNi中添加鋁導(dǎo)致從fcc相過(guò)渡到fcc+bcc雙相結(jié)構(gòu)。

在此，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院蔣建中教授團(tuán)隊(duì)采用沉淀強(qiáng)化策略，通過(guò)簡(jiǎn)單的Al微量合金化到fcc結(jié)構(gòu)的CoNiV MEA中，以獲得雙相fcc/B2結(jié)構(gòu)。盡管金屬間化合物B2相塑性較差，但其從fcc基體中的受控沉淀允許啟動(dòng)額外的變形機(jī)制，以維持高加工硬化率，直至失效。因此，我們的合金可從低溫變形溫度到高溫，獲得GPa屈服強(qiáng)度水平和優(yōu)異的延展性。相關(guān)研究成果以題“Adual-phase alloy with ultrahigh strength-ductility synergy over a widetemperature range”發(fā)表在Science Advances上。

鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/34/eabi4404

作者通過(guò)向等原子fcc結(jié)構(gòu)的CoNiV-MEA（12）中添加5原子%（at%）Al來(lái)制備Al5（CoNiV）95合金。該合金是在真空爐中通過(guò)電弧熔煉和吸鑄高純金屬制備的。然后對(duì)鑄板進(jìn)行簡(jiǎn)單的熱機(jī)械處理，包括均勻化、冷軋和退火。

圖1 AlCoNiV MEA的微觀結(jié)構(gòu)表征(A） EBSD相位圖(B） EBSD質(zhì)量圖（插圖顯示fcc相的平均粒度分布）(C）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像顯示嵌入fcc基質(zhì)中的B2納米顆粒（尺寸約200 nm）的細(xì)節(jié)。還顯示了兩相的相應(yīng)SAED模式和EDS圖(D） EDS線掃描[從（C）位置1到位置2的STEM圖像中提取]顯示B2相元素濃度相對(duì)于fcc基質(zhì)的變化。

隨著比屈服強(qiáng)度從CoNiV合金的~125 MPa·cm3/g增加到Al5（CoNiV）95合金的~150.2 MPa·cm3/g，可以看出微量鋁合金化的重要性。這為設(shè)計(jì)低密度高強(qiáng)度合金開(kāi)辟了道路，該合金具有潛在的提高能源效率的潛力，而這正是當(dāng)今的需求。即使在低溫下，該合金的強(qiáng)度-塑性組合也可與大多數(shù)低溫鋼和一些已報(bào)道的M/HEA相媲美，因此，AlCoNiV MEA成為工程應(yīng)用的誘人候選。

圖2 所研究AlCoNiV MEA的力學(xué)性能(A）不同溫度下的單軸拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(B） SHR（dσ/d?）不同溫度下的真實(shí)應(yīng)變(C）室溫下研究的大多數(shù)現(xiàn)有合金的極限抗拉強(qiáng)度-斷裂伸長(zhǎng)率匯總與AlCoNiV MEA相比 (D）室溫下，比較研究的AlCoNiV MEA與其他報(bào)告的M/HEA的比屈服強(qiáng)度。

圖3 77和298K下斷裂AlCoNiV MEA的變形顯微結(jié)構(gòu)(A至D）分別為77-K拉伸斷裂試樣的EBSD相位圖、核平均取向差（KAM）圖、亮場(chǎng)（BF）-TEM圖像和低角度環(huán)形暗場(chǎng)（LAADF）-STEM圖像。（C）中的插圖對(duì)應(yīng)于B2相的SAED模式(E至G）分別為298K拉伸斷裂樣品的EBSD相位圖、KAM圖和STEM圖。（G）中的插圖顯示了fcc矩陣和孿晶的SAED圖。（H） HRTEM圖像顯示典型孿晶結(jié)構(gòu)（插圖顯示孿晶結(jié)構(gòu)的快速傅里葉變換）。此處，兩張EDS圖分別對(duì)應(yīng)于（D）中的LAADF-STEM圖像和（G）中的STEM圖像。黃色箭頭表示變形納米孿晶。

723k拉伸變形后觀察到從fcc-B2雙相結(jié)構(gòu)到fcc-B2-σ三相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。這個(gè)新的σ相是富V的，并且還表現(xiàn)出高的位錯(cuò)釘扎效應(yīng)，這可以從圖4A中晶體周圍的位錯(cuò)堆積中看出σ的納米顆粒。XRD沒(méi)有檢測(cè)到σ相，表明其體積分?jǐn)?shù)較低。圖4B顯示了在fcc矩陣中形成納米間距SF網(wǎng)絡(luò)的許多交叉SF，其平均間距在23和60 nm之間。這些SF也在HRTEM圖像中顯示（圖4C），并且相應(yīng)的快速傅里葉變換確認(rèn)在723K變形樣品中沒(méi)有形成納米晶或HCP相。在SF網(wǎng)絡(luò)中觀察到的高密度位錯(cuò)可能有助于在高強(qiáng)度（>1 GPa）下實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的應(yīng)變硬化（即在723K時(shí)，SF通過(guò)兩種貢獻(xiàn)（i）SF網(wǎng)絡(luò)釘扎移動(dòng)位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)霍爾-佩奇效應(yīng)和（ii）SF之間相互作用形成Lomer-Cottrell（L-C）鎖。1073K變形后的顯微組織是由等軸fcc晶粒與晶界結(jié)合而成κ和B2晶粒，如圖4D所示。圖S4中的HE（高能）-XRD顯示這個(gè)新形成的κ相與fcc基體（圖4E）相比，顯示出類似的成分變化。據(jù)報(bào)道，對(duì)于基于CoNiV的三元體系，在973和1273K之間的熱處理期間存在BaPB3型-κ相。

圖4 723和1073 K下斷裂AlCoNiV MEA的變形顯微結(jié)構(gòu)(A）低分辨率BF-TEM圖像顯示新形成的σ 723K拉伸變形后的納米顆粒（插圖顯示σ相）(B） 723K斷裂樣品相交SF網(wǎng)絡(luò)和釘扎位錯(cuò)的TEM圖像(C） 723-K拉伸斷裂試樣中fcc基體中形成的SFs的HRTEM圖像(D） 1073 K下拉伸試樣的BF-TEM圖像表明低位錯(cuò)密度再結(jié)晶等軸晶粒（插圖顯示了κ相）(E）從位置1到位置2的EDS線掃描顯示fcc、B2和κ晶粒(F） fcc晶粒的HRTEM圖像，無(wú)明顯位錯(cuò)。

總之，在過(guò)去十年中，M/HEA研究從以相穩(wěn)定性為中心逐漸轉(zhuǎn)向優(yōu)化性質(zhì)研究的趨勢(shì)有所加強(qiáng)。這為在M/HEA設(shè)計(jì)中利用現(xiàn)有的常規(guī)強(qiáng)化原理（如梯度結(jié)構(gòu)、二次納米沉淀、短程有序結(jié)構(gòu)和相亞穩(wěn)態(tài)）開(kāi)發(fā)潛在的結(jié)構(gòu)應(yīng)用尖端合金打開(kāi)了大門(mén)。我們?cè)谶@里使用一種簡(jiǎn)單的沉淀強(qiáng)化方法來(lái)開(kāi)發(fā)Al5（CoNiV）95 MEA，該MEA具有從低溫到中溫的持續(xù)優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性協(xié)同效應(yīng)以及高溫下的超塑性行為。我們深入了解了不同變形溫度下的多種增韌機(jī)制。M/HEA提供的化學(xué)復(fù)雜性可以與現(xiàn)有的常規(guī)強(qiáng)化方法相結(jié)合，以開(kāi)發(fā)高性能合金，從而證明M/HEA工業(yè)制造將帶來(lái)相對(duì)較高的成本。