導讀：具有高強度和高延展性的金屬微纖維在工程應用中是非常理想的。本研究將電流處理(ECT)應用于通過多工序重拉伸法制備的CoCrFeNi高熵合金(HEA)微纖維。在140 A /mm2的電流密度下，微纖維獲得了高屈服強度(1.1 GPa)和大均勻伸長率(43%)。深入的微觀結構表征表明，該材料的高性能源于ECT控制的組織均勻性、晶粒尺寸和晶內位錯密度的結合。這一過程在HEA微纖維中產生了許多微觀結構特征，包括均勻的超細晶粒、低位錯密度和致密的9R相。其中，較低的位錯密度使得晶界強化后的位錯稀缺硬化顯著，其硬化強度占屈服強度的47%。屈服后，連續激活應力相關的多重硬化機制使微纖維具有持續的應變硬化能力，從而具有較大的延展性。這項工作為實現金屬微纖維的強度-延性協同提供了一條有前途的途徑。

金屬微纖維是用于航空航天、化工、醫療等行業的微機電系統(MEMS)必不可少的元件之一。為了在這些應用中實現更高的精度和可靠性，高度需要具有高強度和延展性的金屬微纖維。然而，在大多數傳統金屬微纖維中，高強度通常是以犧牲延展性為代價的，這種現象被稱為強度-延性權衡。因此，探索具有優異機械性能的新型金屬微纖維仍然是一個挑戰。

高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)是一類具有等摩爾或近等摩爾比例的多主元素的新型合金。HEAs通常表現出優異的機械性能，包括高強度、斷裂韌性和耐磨性，這使其成為制造高級微纖維的有希望的候選者。例如，Chen等人報道了通過Taylor-Ulitovsky方法制備的100 μm直徑的CoCrNi微纖維，其屈服強度(YS)達到450 MPa，延展性高達41%。為了優化其力學性能，人們采用了幾種設計策略，通過重冷拔、涉及取代元素的嚴重局部晶格畸變、非均質結構和納米沉淀，將嚴重塑性變形(SPD)引入到直徑為幾百微米的金屬絲中。然而，由于強度和延展性之間的權衡，實現高強度/延展性和更細的直徑對HEA微纖維來說仍然是一個挑戰。

實現高強度和大延性結合的一種策略是發展雙峰微觀結構，包括提供高強度的納米結構晶粒和獲得延性的粗晶粒。然而，受微纖維尺寸的限制，這種雙峰微結構很難在微纖維中實現。在哈爾濱工業大學黃永江教授團隊與麻省大學Amherst分校陳文博士團隊、香港大學顏慶云教授（英國皇家工程院院士）之前的工作中，他們試圖在CoCrFeNi HEA超纖維中實現梯度晶粒尺寸，但梯度結構僅包含有限數量的橫截面晶粒，導致強度有限。在金屬材料中實現強度-塑性協同的另一個有效途徑是實現具有低位錯密度的均勻超細晶(UFG)結構。值得注意的是，將晶粒細化到超細狀態可以制造出更強的合金，但這通常會導致延展性的顯著損失，因為傳統的應變硬化的晶內位錯儲存/倍增機制在UFGed材料中變得無效。然而，當初始位錯密度低于與樣品尺寸相關的臨界值時，位錯源受限硬化開始發揮作用，不僅使YS顯著增強，而且使位錯在變形過程中增殖，從而獲得高應變硬化能力，從而獲得大塑性。

一個重要的事實是，在金屬微纖維中實現均勻的UFG微觀結構是一項艱巨的任務。金屬微纖維的制備通常采用多段重拉伸，從表面到中心變形程度逐漸減小，導致局部晶粒尺寸和亞晶粒結構的變化。熱處理后，不同變形域中存儲能量的變化導致順序的再結晶(首先在變形嚴重的區域，其次是變形較小的區域)，導致非均勻組織。因此，只有經過長時間或高溫退火才能獲得具有低位錯密度的均勻組織，不幸的是，這導致了晶粒的快速粗化和力學性能的下降。因此，通過常規熱處理(CHT)很難產生均勻的UFG微觀結構。

電流處理(ECT)是一種高效的材料加工技術，它利用焦耳加熱和電流的非熱效應，通過控制材料的再結晶、織構演化、相變和愈合等各種冶金過程來調整冷加工金屬材料的顯微組織和力學性能。特別是，ECT過程中的非熱效應通過削弱原子間鍵，使得恢復和再結晶在比CHT更短的時間和更低的溫度下發生，從而有效地加速了再結晶動力學。此外，不同變形程度的疇在ECT過程中可能會產生局部電流密度的差異，從而導致局部焦耳熱效應。因此，對ECT過程的精細控制提供了在微纖維的非均勻變形域中獲得具有均勻晶粒尺寸分布和形態的均勻微觀結構的機會。電流的非熱效應對位錯結構演化也起著至關重要的作用。經典電子風理論認為，漂移的電子可以將其動量傳遞給原子，從而增強晶格缺陷的遷移率。此外，最近的一項研究表明，外電場可以直接作用于晶格缺陷處的原子，在電子刺激下克服Peierls勢壘并驅動位錯運動。因此，利用ECT工藝同時調節冷拔微纖維的晶粒尺寸均勻性和位錯亞結構均勻性是可行的。

相關研究成果以“Achieving superb mechanical properties in CoCrFeNi high-entropy alloy microfibers via electric current treatment”發表在Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424005536?via%3Dihub

圖1所示。(a)制備HEA微纖維的加工步驟示意圖。(b) ECT裝置示意圖。

圖2所示。拉伸CoCrFeNi HEA微纖維的微觀結構。(a)上圖:HEA超細纖維的SEM圖像。下:標示區域對應的EDS圖。(b) XRD圖譜。典型的TEM圖像:(c)嚴重的位錯- dt相互作用。(d)多重孿生系統。(e) (d)中虛線矩形角區域對應的HRTEM圖像。

圖3所示。不同電流密度下CoCrFeNi HEA標本的EBSD圖像。(a-f) IPF圖和(a1-f1)對應的KAM圖。

圖4所示。所研究的HEA微纖維與其他金屬纖維的力學性能對比:(a)不同ECT條件下加工的樣品的工程應力-應變曲線。(b)與現有HEA纖維、其他金屬纖維相比，本研究結果的屈服強度與均勻伸長率; UFG HEAs，散裝CoCrFeNi HEA和具有非均勻梯度結構的CoCrFeNi微纖維。

圖5所示。ECT140標本縱剖面的EBSD圖像。(a)指規數圖。(b) KAM地圖。(c)晶界(GB)圖。綠、黑、紅線對應到LAGBs(2?≤θ <15?)、hagb (θ≥15?)和退火tb。

圖6所示。ECT140試樣的TEM圖像。(a)樣品的典型亮場TEM圖像和相應的SAED模式。(b) STEM亮場圖像Co、Cr、Fe、Ni的EDS元素映射圖。(c)典型的聯合陣線。(d)退火孿晶的放大圖，顯示CTB、ITB和9R相以兩個PBs為界。(e) HRTEM圖像及其FFT模式(插圖)顯示9R結構。(f)逆FFT (IFFT)圖像顯示由e中標記區域生成的完美9R結構。

圖7所示。ECT140試樣在不同真應變水平下的變形組織。圖像在真應變為0.02 (a)， 0.05 (b)，0.15 (c)， 0.25 (d)-(f)時拍攝，如圖右側所示。(a)顯示平面位錯滑移的代表性TEM圖像。(b) TBs高密度位錯堆積。(c)包含位錯和SFs的變形結構。插圖是(c)中虛線矩形區域對應的圖像，顯示高密度的sf。(d)變形晶粒的TEM圖像顯示高密度位錯和少量薄dt。(e)放大后的透射電鏡圖像顯示了SF網絡結構。(f) HRTEM圖像顯示L-C鎖和樓梯桿位錯。(g)變形顯微組織的典型ECCI圖像，顯示晶粒嚴重畸變，晶粒內存在高密度dt。(h) ECT140的TEM圖像顯示更密集的位錯和dt。(i)由藍色五邊形標記的放大變形晶粒，以及(i)中虛線矩形區域的HRTEM圖像，顯示密集的孿晶和sf網絡(插圖)。

圖8所示。(a)變形過程中ECT140在不同真應變(ε)下沿加載方向的HEXRD圖。(b)由(a)中HE-XRD衍射圖得出的位錯密度隨真應變的函數。

圖9所示。圖為ECT140中9R相的形成機理。

圖10所示。ECT140超細纖維的應變硬化速率、真應力-應變曲線及順序多階段應變硬化機理示意圖。

綜上所述，在本工作中，對CoCrFeNi HEA微纖維進行了電流處理(ECT)。通過施加不同的ECT電流密度，實現了廣泛的機械性能，從而允許對性能進行微調，以適應特定的應用陽離子要求。通過ECT，黃永江教授團隊成功地獲得了具有定制結構均勻性、晶粒尺寸和顆粒位錯密度的CoCrFeNi微纖維。從而得到9R相致密、位錯含量低的UFG HEA微纖維導致前所未有的強度和延展性的結合。研究了潛在的強化機制，得出以下結論。

(1)粒徑為0.7 μm的ECT140微纖維獲得了1.1 GPa的高屈服強度(YS)和43%的大均勻膨脹，表明其綜合力學性能優于現有的金屬微纖維。

(2)除了正常晶界(Hall-Petch)硬化外，ECT140試樣的高YS主要歸因于位錯引起的位錯源限制硬化。

圖11所示。不同真應變下ECT140變形過程中9r相的TEM圖像。(a) ITBs的遷移誘導退火孿晶生長。(b) 9R相傳播到幾百納米，插入的SEAD模式和(c)的HRTEM圖像證明了這一點。(d) SFs和9R相之間的相互作用，由右上FFT圖像和扭曲的9R(右下)證明了這一點。