前言

高熵合金（High-entropy alloys，简称HEAs），通常由五种（或以上）等原子比或相近等原子比的金属元素混合制成的新型合金。由于这种合金在设计具有优异机械、物理和化学性能的新材料方面具有很大潜力，目前在材料科学和工程领域备受关注。然而，和传统合金一样，高熵合金也存在一个关键的缺点：合金的强度越高，其延展性和韧性越小。

为解决强度和塑性之间的矛盾，近年来，通过设计复杂的工艺条件，在合金材料内部引入异质结构，进而调和强度和塑性的相互矛盾，提高材料的综合机械性能成为结构金属材料的研究热点。更进一步，如何通过简单而且适用性较广的工艺路线，在合金材料内部引入异质结构来优化高熵合金的综合机械性能？成为了高熵合金作为结构材料应用而亟需解决的关键问题。

图文简介

本研究采用室温冷轧然后中温退火（600℃）的工艺方法，成功制备了具有异质结构的高熵合金（异质高熵合金）。其结构如图 1 所示。

(a) 背散射电子图。

(b-g)三种晶粒的透射电镜图。

图1：异质高熵合金的显微组织

很明显，600 ℃退火后的冷轧高熵合金形成了异质结构。这种异质结构由三种晶粒组成：拉长型晶粒（NR1），部分再结晶晶粒（NR2）和再结晶晶粒（R）。体积分数比（NR1:NR2:R）为10:37:53。当引入异质结构以后，显著改善了强度-塑性综合力学性能，其中屈服强度比完全再结晶组织提高了 1倍，同时延伸率保持了 71.5%。力学性能如图 2 所示。这就引发了我们的思考：为什么异质结构能够强化材料的同时还赋予了材料优异的加工硬化能力呢？

图2：异质高熵合金的拉伸力学性能

通过加载 - 卸载 - 再加载，扫描电镜下的原位拉伸和透射电子显微镜测试，本研究系统地阐述了异质高熵合金在不同应变阶段的加工硬化机制与异质结构的关联。结果发现，异质高熵合金高的屈服强度源自内部巨大的背应力，优异的加工硬化能力则是由于塑性变形激发了多种加工硬化机制，如背应力强化，孪晶强化和位错强化。

当应变很低时，异质结构的背应力随应变增大而增大使材料强化，如图 3 所示。

图3：异质高熵合金的包申格效应，有效应力（σeff）和背应力（σb）

继续增加应变先后激发异质结构的非再结晶晶粒和再结晶晶粒孪晶变形，同时增加强度和塑性，如图 4 所示。

图4：异质高熵合金在不同应变下形变孪晶的透射电镜图

（a）5.6% 应变下非再结晶晶粒内的形变孪晶。（b）13.6%应变下的形变孪晶。17.7%应变下（c）非再结晶晶粒，和（d）再结晶晶粒内的形变孪晶。

当应变较高时，如图 5 所示，异质结构的位错密度随应变增加而增大，位错强化使合金的强度进一步提高。

图5：应变17.7%时异质高熵合金 (a-b) 非再结晶晶粒，和 (c-d) 再结晶晶粒的位错密度

研究为设计制造高强高韧高熵合金提供了一种简便且可工业化推广的途径，并且系统揭示了异质结构的强韧化机理。

注：上述研究发表于Acta Materialia 165：444-458（2019），

原文链接地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645418309546#undfig1 或 DOI:10.1016/j.actamat.2018.12.012