在工程应用、节能减排和科学研究中，对高强度、大延展性、低密度材料的需求和追求从未消退。近年来，为了在看似无限的合金成分空间中追求最佳力学性能，一种快速出现的范式，即所谓的高熵合金(HEA)或复质浓缩合金(CCA)，与稀释的同类相比，表现出明显的优势。迄今为止，主要致力于克服强度-塑性的平衡困境，推出了许多新的CCA，如亚稳态工程CCAs，相干纳米颗粒强化CCAs，背应力硬化CCAs，有序氧配合物强化CCA等。在这些CCA中实现了高强度和大延展性，然而，具有相对较高的密度，通常在7至20 g cm^-3之间。因此，研究轻量级CCAs是迫切而必要的。

在过去十年中，开发了几种密度在1.5 ~ 6.5 g cm^-3的轻质CCA，如Al₂₀Li₂₀Mg₁₀Sc₂₀Ti₃₀ (at.%)和Al₂₀Be₂₀Fe₁₀Si₁₅Ti₃₅。然而，大多数轻量级CCA本质上是脆弱的。近年来，轻质耐火CCAs (LRCCAs)是轻质CCAs的一个新发展分支，其密度为4-6.5 g cm^-3,如(Zr_0.5Ti_0.35Nb_0.15)₉₀Al₁₀,Al₂₅Nb₂₅Ti₂₅V₂₅， Zr_22.6V_15.1Nb_18.9Ti_37.7Al_5.7 ， Ti_42.55V_28.37Zr_14.19Nb_14.19Mo_0.7 (at.%)等，它们由轻质和耐火元素组成，在室温下具有较高的强度和潜在的拉伸延展性。以及在600至800°C温度下保持高强度的趋势。由于热力学中的主导熵贡献，LRCCAs具有固有的高相稳定性和高强度。然而，LRCCAs几乎完全是体心立方(BCC)结构，自然继承了BCC HEAs/CCAs的缺陷，如应变硬化率低，阻碍了其在工程中的应用。

因此，为了提高LRCCAs的性能，研究了许多有效的加工硬化机制，如变形孪晶和相变机制，分别对应于孪晶诱导塑性(TWIP)和相变诱导塑性(TRIP)效应。然而，形变孪晶硬化和相变硬化只能发生在特定的合金体系中，且强烈依赖于堆积故障能(SFEs)。其他硬化机制，如调节位错亚结构(如微带、高密度位错壁)，可在非TWIP和非TRIP合金中产生许多硬化效应，特别是在具有高SFEs的合金体系中。因此，在LRCCAs中引入位错硬化机制，提高LRCCAs的应变硬化能力，从而保证低密度合金具有较高的屈服强度和足够的拉伸延性具有重要意义。

在本研究中，我们报道了高强度延性LRCCA的多级应变硬化行为，即轧制和退火(Ti₄₄V₂₈Zr₁₄Nb₁₄)_98.5Mo_1.5合金(M1.5A-LRCCA)。此外，采用组织复杂的铸态(Ti₄₄V₂₈Zr₁₄Nb₁₄)_98.5Mo_1.5合金(M1.5C-LRCCA)和组织均匀的轧态退火Ti₄₄V₂₈Zr₁₄Nb₁₄合金(M0-LRCCA)对比研究了组织对变形行为的影响。研究发现，M1.5A-LRCCA显微组织均匀，亚微米析出物分布均匀，初始平均位错密度适中，易形成包括滑移带、泰勒晶格、微带、致密位错壁、剪切带和变形孪晶等多种位错亚结构。这些子结构在多级应变硬化行为中达到顶峰。多级应变硬化效应是M1.5A-LRCCA在保持足够延性的同时具有高强度的原因。

上海大学王刚教授团队对此进行了研究，相关研究成果以题为“Multistage strain-hardening behavior of ultrastrong and ductile lightweight refractory complex-concentrated alloys”发表在期刊Journal of Materials Science& Technology上。

链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223000543

图1所示：M0-LRCCA、M1.5C-LRCCA和M1.5A-LRCCA的室温拉伸性能。(a)真应力-应变曲线。(b)应变硬化率与真应变的函数关系。

图2所示：三种样品的原始微观结构分析。(a) M0-LRCCA的BSE图像显示等轴晶粒。(b) M1.5C-LRCA的BSE图像显示树突晶体。(c) M1.5A-LRCCA的BSE图像显示等轴晶粒。(d) XRD谱图。

图3所示：M1.5C-LRCCA的元素分布分析。(a)BSE图像。(b-f) Ti, V, Zr, Nb, Mo的EPMA映射。(g, i)亮场(BF)和暗场(DF)图像。(h) (g)沿zone =[001]和[310]方向的SAED模式。Ti、V、Zr、Nb、Mo为(g)对应的EDS映射图像。

图4所示：M0-LRCCA和M1.5A-LRCCA的透射电镜组织。(a) M0-LRCCA单相的BF图像。插入图像显示沿[001]区域的SAED模式。(b) TEM-BF图像显示M1.5A-LRCCA的双相结构。插入显示SAED模式的图像。(c)显示M1.5A-LRCCA中BCC基质和沉淀物的元素分布的STEM-EDS线剖面。(d)显示沉淀物形态的STEM图像。STEM-EDS图谱显示了Ti、V、Zr、Nb和Mo的相应元素分布，比例尺为200 nm。

图5所示：基体和富锆相的纳米压痕分析。(a)基体和富Zr相的载荷-深度曲线。(b)基体和富Zr相的硬度和模量。

图6所示：三种试样变形后的表面形貌。M0-LRCCA (a - c)。(d-f) M1.5C-LRCCA。(g-h) M1.5A-LRCCA。

图7所示：三个样品的断口形貌。左柱展示了大规模的断口形貌。右柱显示小规模的断口。(a, b) M0-LRCCA。(c, d) M1.5C-LRCCA。(e, f) M1.5A-LRCCA。

图8所示：透射电镜观察M0-LRCCA变形组织。(a)应变为~ 3%(阶段I)时变形诱导的位错子结构。插入图像显示相应的SAED模式。(b)应变为~ 9%时的变形诱导位错亚结构(阶段II)。(c)应变为~ 15%时的变形诱导位错亚结构(阶段III)。插入图像显示相应的SAED模式。

图9所示：透射电镜观察M1.5C-LRCCA变形组织。(a)应变为~ 3%时的变形诱导子结构(I阶段)(b, c)应变为6%时的结构(II阶段)(d, e)应变为~ 8%时的结构(III阶段)。插入图像显示相应的SAED模式。(f)应变为~ 10%的结构(第四阶段)。

图10所示：M1.5A-LRCCA在Ⅰ阶段应变为~ 3%时位错构型的TEM图像。(a)显示滑移带阵列的BF图像。插入显示SAED图案的图像。(b)与(a)对应的TEM-DF图像。插入图像为两束暗场(DF)图像，表示滑移带中的位错。(c, d)显示位错与富zr粒子相互作用的TEM BF和DF图像。(e, f, g)不同位错构型。

图11所示：M1.5A-LRCCA在Ⅱ阶段应变为~ 6%的变形诱发位错的TEM图像。(a)滑移带由沿主滑移系统滑动并穿过整个晶粒的堆积位错组成。插入图像是对应的SAED图案。(b, c) DF图像显示沿衍射矢量(g)[200]的复杂位错结构。HDDA为高密度位错区。LDDA代表高密度位错区。

图12所示：M1.5A-LRCCA在Ⅲ阶段应变为~ 9%的变形诱导位错亚结构的TEM图像。(a)显示泰勒格的BF图像。插入图像是对应的SAED图案。(b, c)显示高密度位错亚结构的BF和DF图像。域边界指向泰勒晶格域边界。“P”代表沉淀物。(d)显示微波段的DF图像。“GB”为晶界。

图13所示：M1.5A-LRCCA在应变为~ 12%和~ 15%(Ⅳ和Ⅴ)阶段的变形诱导位错亚结构的TEM图像。(a, b)Ⅳ阶段的DDWs。(c, d)Ⅴ阶段DDWs位错子结构和剪切带(SBs)。插入显示相应SAED模式的图像。

图14所示：透射电镜观察M1.5A-LRCCA断口附近的显微组织。(a)显示变形阶数(DSs)和变形带(DBs)的STEM图像。(b, c)显示形变孪生的BF和DF图像。插入显示相应SAED图案的图像。(d)显示系统细节的STEM图像。(e, f) DSs中的形变孪生。插入显示相应SAED图案的图像。

图15所示：M1.5A-LRCCA中富Zr相与位错的相互作用。(a)富Zr相的随机分布。(b)高密度位错和富Zr相。(c-f)富Zr相与位错的相互作用过程。(g)富锆相的位错。

图16所示：三种样品的初始位错分布和平均位错密度。左列显示EBSD KAM地图。右列显示了相应的错向角和计算的平均位错密度。(a, b) M0-LRCCA。(c, d) M1.5C-LRCCA。(e, f) M1.5A-LRCCA。

图17所示：多级应变硬化机理示意图。“TLs”表示泰勒晶格。“MB”代表微带。DDW代表密集的位错壁。“SBs”表示剪切带。“DTs”代表变形双胞胎。

综上所述，M1.5A-LRCCA具有较高强度和足够延性的多级应变硬化行为。研究发现，在应变硬化的不同阶段，包括位错亚结构(滑移带、泰勒晶格、微带和ddw)、剪切带和变形孪晶在内的多种变形亚结构发挥着不同的作用。泰勒晶格域和微带因其高密度位错边界而对提高应变硬化率极为有效。这种多级应变硬化行为使合金具有高强度，同时仍然确保足够的延展性，特别是在通常具有非常小的拉伸延展性的轻质HEAs或CCA中。这对于轻量化HEAs或CCAs在航空航天等领域的应用具有重要意义。