近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院薛云飛教授聯(lián)合清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授等在金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Acta Materialia》發(fā)表了題為“Dynamic deformation behaviors and mechanisms of CoCrFeNi high-entropy alloys”的研究論文。北京理工大學(xué)為第一完成單位，北京理工大學(xué)曹堂清博士和清華大學(xué)張倩博士為共同第一作者，薛云飛教授和李曉雁教授為論文共同通訊作者。

這一研究工作揭示了FCC高熵合金在動(dòng)態(tài)載荷下的塑性變形機(jī)制及其隨應(yīng)變率的演化規(guī)律，將為具有優(yōu)異動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的高熵合金的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供指導(dǎo)。

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645423006730

（DOI: 10.1016/j.actamat.2023.119343）

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試，研究了面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)CoCrFeNi高熵合金在跨越八個(gè)量級(jí)應(yīng)變率（5.0×10?5 /s-6.5×103 /s）范圍下的力學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn)：①相比傳統(tǒng)FCC金屬，高熵合金展示了更為顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)；②應(yīng)變率敏感系數(shù)轉(zhuǎn)變所對(duì)應(yīng)的臨界應(yīng)變率明顯低于傳統(tǒng)FCC金屬。圍繞這些發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征和大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬，探究了典型FCC相高熵合金動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的微觀機(jī)理。

研究表明，F(xiàn)CC高熵合金顯著的應(yīng)變率效應(yīng)主要與高熵合金連續(xù)晶格畸變效應(yīng)相關(guān)。一方面，高熵合金中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力主要是這種連續(xù)晶格畸變帶來(lái)的短程應(yīng)力場(chǎng)，其作用范圍只在幾十個(gè)原子內(nèi)，所以這種阻力強(qiáng)烈受熱激活的影響，即表現(xiàn)出明顯的率相關(guān)性；另一方面，連續(xù)晶格畸變帶來(lái)的高聲子拖曳作用，導(dǎo)致高熵合金在高應(yīng)變率變形時(shí)更早接近位錯(cuò)速度上限，迫使位錯(cuò)快速增殖導(dǎo)致應(yīng)變率敏感系數(shù)突增現(xiàn)象向低應(yīng)變率偏移；FCC高熵合金顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化作用且更低應(yīng)變率下就能發(fā)生突增的特點(diǎn)，使其高應(yīng)變率加載時(shí)更容易達(dá)到孿晶激活應(yīng)力閾值，誘發(fā)大量形變納米孿晶，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)霍爾-佩奇效應(yīng)，導(dǎo)致加工硬化能力的顯著提升。

圖1.（a-b）CoCrFeNi高熵合金應(yīng)變率強(qiáng)化作用在高應(yīng)變率下發(fā)生量級(jí)上的突變；（c-d）高應(yīng)變率下位錯(cuò)快速增值，且在屈服附近發(fā)生突增

圖2. 動(dòng)態(tài)加載下CoCrFeNi高熵合金形變孿晶發(fā)生更早，形成更多，甚至形成二次孿晶：（a）4500s-1應(yīng)變率下的變形組織；（b）10-3s-1應(yīng)變率下的變形組織；（c）取相差分布統(tǒng)計(jì)，表明動(dòng)態(tài)下孿晶含量更高

圖3 CoCrFeNi HEA的應(yīng)變率為28.8%，應(yīng)變率為4.5×103 s - 1。(a, b)變形HEA中的雙束。(b)中的插圖顯示了孿晶結(jié)構(gòu)的選定區(qū)域電子衍射圖。

圖4 CoCrFeNi HEA在真應(yīng)變下的平均取向偏差(KAM)圖在不同應(yīng)變速率下為16.2%。(a)應(yīng)變速率為1×10-3 s-1時(shí)CoCrFeNi HEA的KAM圖。(b)應(yīng)變速率為4.5x103 s-1時(shí)CoCrFeNi HEA的KAM圖。高角度晶界用黑線表示。

圖5 在應(yīng)變速率為8×109 s-1的形變?cè)嚇又行纬蓪哟螌\晶。(a)晶界位錯(cuò)發(fā)射。(b-c)初生孿晶的形核和生長(zhǎng)(T1)。(d-e)次生孿晶的形核和生長(zhǎng)(T2)。(f)初級(jí)和次級(jí)孿晶之間的相互作用。白色和黃色分別代表主孿晶和次孿晶。