单相高熵合金（HEA）近年来因其具有吸引力的特性而受到关注，例如优异的强度-延展性组合，高耐腐蚀性和耐辐照性强。然而，据观察，脆性在康托尔型FeMnCoCrNi中沿晶界形成西格玛相中温退火后的高熵合金。西格玛相颗粒通常会导致室温下延展性丧失以及抗氧化性降低和合金基体的有效强度。例如，降水σ相导致面心立方（FCC）基合金的整体机械性能下降，其中拉伸损失在基于FeMnCoCrNi的高熵合金中观察到延展性（~75→0.5%）和室温下的不锈钢（~150→20%）。这种韧性的大幅降低是设计中的主要问题。

最近，金属间相被认为是一个强大的开发强材料的方法，因为不连贯的沉淀物可有效阻碍脱位运动。例如，在基于康托尔的高熵合金中添加Mo可促进σ和μ相颗粒的形成，从而增强材料，但延展性明显下降。在本研究中，我们开发了一种新方式来获得增强非等原子Fe34Mn20Co20Cr20Ni6的强度和延展性，产生了含有脆性西格玛相的HEA样品。镍含量合金被还原以实现转变诱导塑性（TRIP）效果用于保持出色的延展性值。此外，我们引入异构架构的晶粒结构以建立纳米孪晶和晶界的不均匀分布进一步优化机械性能的设计工具。典型的例子是具有双峰晶粒结构的材料，其中包含微米和亚微米晶粒的区域共存和单一材料中晶粒尺寸跨越从几十纳米到几十微米的四个数量级的梯度结构。长度尺度桥接微观结构表征用于探索TRIP和非均质结构设计对裂纹成核行为的影响。

南方科技大学大学逯文君团队相关研究以“Customized development of promising Cu-Cr-Ni-Co-Si alloys enabled by integrated machine learning and characterization”为题发表在Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423000496

图 1

图1所示。均质加冷轧后Fe₃₆Mn₂₀Co₂₀Cr₂₀Ni₆（at.%）HEA的微观结构分析。（a） ECC图像和（b）EBSD相位图。

图 2

图2所示，EBSD 图像质量图（叠加具有Σ3 孪生边界）、相图和 KAM退火后具有不同异质微观结构的高熵合金样品图不同的条件。

图 3

图3，在拉伸变形之前在700 ◦C下退火的1型样品中纳米孪晶区域的微观结构分析。（a）突出显示Σ3的EBSD相位图，纳米孪晶区域的孪生边界。（b）中的插图是<110>区域轴上的SAED图案，具有孪生和矩阵反射。（e） HAADF-STEM-EDS分析显示铁、锰、钴、铬和镍分布均匀。

图 4

图4，拉伸变形前 1 型样品中超细晶粒区域的微观结构分析。

图 5

图5，.在拉伸变形之前，在 800 ◦C 下退火 30 分钟（2 型）的完全重结晶样品的微观结构分析。（a）具有生物或生物意义的海洋生态系统障碍图像质量图，突出显示细粒度区域的Σ3 孪生边界和（b）相位图。（c）细粒度区域的ECC图像。（d）细粒度的HAADF-STEM图像地区。（e）明场透射电镜图像和（f）西格玛相位、9R结构和FCC矩阵的高分辨率透射电镜图像。相应的FFT模式显示在右边揭示了方向关系。“σ”是指西格玛阶段。

图 6

图6.（a）在700°C（1型）和800°C（2型）下退火的非等原子高熵合金样品的工程应力-应变曲线;等原子高熵合金的曲线（b）与相应应变叠加的真实应力-应变曲线硬化曲线。红色箭头表示应变硬化的增加。

图 7

图7，.两种高熵酸氮化物样品变形微观结构的EBSD分析。（a） 1型样品在700 ◦C下退火，局部应变为~40%。（b）2 型样品在 800 ◦C 下退火，局部应变为 ~60%。第一列和第二列显示图像质量图（覆盖边界）和相位图

图 8

图8（a）两种类型的HCP变体（V1和V2）拉伸变形后在700 ◦C（类型1）下退火的样品中纳米孪晶区域的ECC图像。（b）两种HCP变体的高分辨率TEM图像。（c）类型中靠近断裂表面的超细晶粒区域的ECC图像（局部应变~40%）;插图是EBSD相位图，裂缝由浅蓝色圆圈突出显示。（d）西格玛相位内裂纹区域的明场透射电镜图像粒子。（e）裂缝附近矩阵的高分辨率透射电镜图像;插图是裂缝附近基体的SAED图案。“σ”是指西格玛阶段。

图 9

图9. .在800°C下退火的样品粗晶区域中的变形微观结构（2型）。（a）和（b）EBSD图像质量和相位图2型样品的断裂表面附近的粗粒区域（局部应变~60%）。（c） ECC图像显示FCC矩阵中的HCP相位。（d）高分辨率拉伸变形后粗晶区域的TEM图像和相应的FFT图谱。

图 10

图10. .退火样品细晶区域中的变形微观结构800 ◦C（类型 2）。（a）具有局部应变的细粒度区域的 ECC 图像 ~60%类型 2 样品;插图是对应的EBSD阶段图;裂缝由浅蓝色圆圈。FCC 和 HCP 阶段是以红色和绿色突出显示。（b）裂解区域的明场透射电镜图像西格玛阶段。插图是 SAED 图案裂缝附近的西格玛相。（c）和（d）高分辨率HAADF-STEM图像裂缝附近的西格玛和HCP相位。"σ"指西格玛阶段。

图 11

图11. 热计算器预测了Fe_40-xMn₂₀Cr₂₀Co₂₀Ni_x的TCHEA 3.0相图：（a）x=20，（b）x=12，（c）x=9和（d）x=6。所有图像中的两条虚线表示退火温度（700 和 900 ◦C）。

图 12

图12.Fe_40-xMn₂₀Cr₂₀Co₂₀Ni_x合金体系中预测的σ相数据（在%;x=20，12，9和6）合金体系中。（a）在平衡状态下退火后各种高熵合金的相热力学稳定西格玛的体积分数。（b）各种退火高熵合金的VEC合金成分图。绿色和红色箭头表示退火后分别不存在和存在西格玛相。

图 13

图13. 类型 2 样品中的开裂行为。（a） ECC 图像和（b）具有不同局部应变（5–60%）的 2 型样品的相应示意图。

图 14

图14. .类型 1 样本的典型 EBSD 映射。（a）定向和（b）局部应变为~40%的KAM图谱。

综上所述，在这项工作中，我们展示了一种结合缓解阶段的方式来转化结构，以操纵含有脆性西格玛相的典型非等原子FeMnCoCrNi HEA的机械性能。我们观察了两种类型的微观结构：i）具有纳米孪晶和超细晶粒区域的1型； ii）具有粗粒和细粒区域的 2 型。1型样品在700◦C下退火30分钟，连接效应由反向相变和超细引发的纳米孪生由纳米尺寸的西格玛颗粒稳定的晶粒，极大地增强非等原子FeMnCoCrNi HEA，实现产量和最终中等时的抗拉强度分别为~1040和~1280 MPa，总伸长率（~27%）。在退火率较高时， 2 型样品中温度（800◦C30分钟），消融转化更多在粗粒和细粒区域积极促进（~44.4 vol.%）。转变在延迟甚至抑制裂纹成核和西格玛相的扩展进入矩阵，形成高断裂强度和延展性（~1130 MPa 和 ~50%）。

因此，这项工作证明了成功使用转化结构操纵复杂合金的性能，这种方法通常适用于设计含有脆性金属的坚固且要求延展性较高的散装材料中。