近年來，多組元中/高合金的出現(xiàn)開創(chuàng)了合金材料設(shè)計(jì)的新理念，并具有突破傳統(tǒng)材料諸多性能極限的潛能，使其在極端環(huán)境中應(yīng)用極具前景。在這些材料中，面心立方(FCC)的HEAs/MEAs在低溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，這與層錯(cuò)、變形孿晶和/或變形誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變(DIMT)機(jī)制的激活密切相關(guān)。特別是，通過成分和變形溫度控制相穩(wěn)定性的“亞穩(wěn)工程”策略已廣泛應(yīng)用于開發(fā)高性能HEAs/MEAs，其中Fe基亞穩(wěn)高熵合金在這方面呈現(xiàn)出極大的潛力。

近日，浦項(xiàng)科技大學(xué)高熵合金研究中心的Hyoung Seop Kim教授報(bào)道一種了雙相Co17.5Cr12.5Fe55Ni10Mo5（Mo5）中熵合金在室溫至0.5K的寬溫域內(nèi)的力學(xué)性能和變形誘導(dǎo)的組織演變，該合金表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性，并具有較高的應(yīng)變硬化能力，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)變硬化能力和吸收功等性能均優(yōu)于大多數(shù)低溫合金和HEAs。這是首次在如此低的溫度下對其力學(xué)行為和變形進(jìn)行的研究，這推動的人們對高熵合金低溫力學(xué)行為的進(jìn)一步認(rèn)識。相關(guān)成果以“Deformation behavior of a Co-Cr-Fe-Ni-Mo medium-entropy alloy at extremely low temperatures”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域權(quán)威期刊Materials today（https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.08.001）上。

該工作系統(tǒng)研究了Mo5合金在極低變形溫度(0.5 K)下的力學(xué)性能和微觀組織演變?；诓牧显谧冃螠囟认碌臒?力學(xué)耦合假設(shè)，闡明了馬氏體分?jǐn)?shù)的變化的異常和位錯(cuò)密度的非單調(diào)變化等不尋常的特征，以及相關(guān)異常力學(xué)行為，研究表明：

1)Mo5中熵合金在液氮和液氦溫度下表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。在屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、應(yīng)變硬化能力和吸收功方面，其性能均優(yōu)于大多數(shù)合金和低溫應(yīng)用的HEAs。

2)Mo5合金具有優(yōu)異的低溫力學(xué)性能，包括高屈服強(qiáng)度(1075MPa)和良好的應(yīng)變硬化能力，在4.2K時(shí)，抗拉強(qiáng)度高達(dá)1651MPa，這主要是由于FCC向BCC和HCP相的轉(zhuǎn)變（變形誘發(fā)馬氏體）。

3)首次在0.5K的低溫條件下研究了雙相MEA的力學(xué)性能, 該合金在這個(gè)溫度下的性能與液氦溫度下相當(dāng)。

4)在4.2K以下的溫度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了四種特征現(xiàn)象，即非連續(xù)塑性變形、屈服強(qiáng)度、塑性和變形誘發(fā)馬氏體相變的異常溫度依賴性。在大致相同的溫度范圍內(nèi)，這些效應(yīng)之間的相互關(guān)系不是偶然的，而是由共同的物理機(jī)制所控制的。

5)我們假設(shè)異常的屈服強(qiáng)度和不連續(xù)塑性流動是位錯(cuò)運(yùn)動慣性機(jī)制的結(jié)果。通過考慮變形絕熱加熱，闡明了局部溫升對Mo5中變形誘發(fā)馬氏體相變和位錯(cuò)密度演化的影響。在DPF體系中，溫度的升高和應(yīng)力的降低改變了FCC和BCC相之間吉布斯自由能的差異，因此，大量激活的位錯(cuò)從由螺位錯(cuò)向刃位錯(cuò)的轉(zhuǎn)變(在0.5-4.2 K的溫度范圍內(nèi))抑制了材料通過交滑移進(jìn)行動態(tài)恢復(fù)的能力。

6)從斷裂機(jī)理上解釋了塑性異常，即4.2K和2.1K下的剪切帶導(dǎo)致應(yīng)變局部化和后續(xù)災(zāi)難性斷裂。在77K和0.5K條件下，變形馬氏體有效地緩解了應(yīng)變局部化導(dǎo)致更高的延性。

圖1. （a-c）Mo5中熵合金初始組織；（d-g）Mo5合金在室溫到0.5K低溫下的力學(xué)性能

圖2. Mo5合金低溫變形后的EBSD相圖

圖3. Mo5合金在4.2 K下變形的TEM圖像，出現(xiàn)大量的變形誘導(dǎo)馬氏體。

圖4. BCC相分?jǐn)?shù)和位錯(cuò)密度隨真應(yīng)變和溫度的變化。

圖5. TEM雙束成像技術(shù)分析Mo5合金在4.2K變形后的位錯(cuò)特征

圖6. Mo5合金的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果和主要的溫度依賴性機(jī)制示意圖。

圖7. Mo合金在不同溫度下與報(bào)道高熵合金和傳統(tǒng)低溫合金性能對比圖