《JMST》：抗拉3.37GPa，延伸率13.7%！实现高熵钢强塑性的新突破！

2022-01-05 10:25:51 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：本文采用磁控溅射法制备Fe72.4Co13.9Cr10.4Mn2.7B0.34高熵钢。该合金的屈服强度为2.92±0.36 GPa，而在极限抗压强度（3.37±0.36 GPa）下，其塑性为13.7±1.9%。其中铁和铬的分布表现出一种不寻常的、典型的旋回模式。在纳米尺度上，Fe和Cr的组成表现出强烈的反相关性和变化达百分之二十。材料的高强度主要是由于材料的成分变化、具有体心立方（BCC）晶体结构的细小晶粒以及硼的晶界偏析。塑性是由多面、多特征位错滑移的形成和操作调节的，由共格界面介导，并由剪切带控制。优异的强度和延性结合通过一系列独特的强化机制得以实现，使这种新合金成为安全关键的承重结构应用的潜在的候选对象。

自2014年以来，包括高熵钢（一种基于Fe的复杂合金（CCA））在内的高、中熵合金（分别为HEAs和MEAs）因其优异的力学性能而受到越来越多的关注。这些合金颠覆了传统的设计理念，因此，提供了解决材料开发中以前未解决的挑战的机会，例如在不牺牲延展性的情况下创造高强度材料。有趣的是BCC HEAs已经被证明具有优越的高温强度，同时保持良好的室温塑性。这归因于沿位错校心的原子尺度化学涨落造成的额外的位错路径。鉴于这一突破，设计BCC合金用于航空航天和发电的承重应用是可能的。近年来，MoNbTi材料通过控制位错的运动，使其具有良好的强度和延性，这主要是由于位错在非螺旋性质位错中占主导地位，且位错滑动的滑移面较多。与此同时，与传统钢相比，高熵钢的重量降低了10%，強度和延性都有所提高。因此，BCC CCAs有潜力克服的局限性，传统的BCC合金，如强度-延展性的平衡。

高熵合金的关键特征之一是利用不同原子半径的多种主元素导致高程度的晶格畸变，通过限制位错滑动口产生了增强的固溶强化效果。这种效应在对VCoNi合金的研究中得到了很好的证明，通过与已经令人印象深刻的CrCoNi合金进行比较，当用钢取代铬时，一种甚至更高强度的合金被创造出来，而对延展性几乎没有牺牲。在上述情况下，钒的加入增加了晶格应变，钒的原子半径与钴和镍的原子半径有很大的不同。其中，铬的原子半径与钴和镍的原子半径非常接近），导致摩擦应力（以Peierl应力定量）为383MPa，是其他HEAs的3倍在另一项研究中，Cantor合金中的Mn，即CrMnFeCoNi，被第二排过渡金属元素（即钯）取代。这导致了纳米尺度上拉伸和压缩应变场的交替形成，通过抑制位错滑移进一步提高了屈服强度。CrFeCoNiPd的强化机制与VCoNi的强化机制不同，这是由于其成分波动具有明显的周期性。有趣的是，在失衡分解过程中，组分也出现了波动，即在亚稳区出现了两种相，这种变化发生在混溶隙的中心区域，由向上扩散使自由能最小化驱动。这一项来自于“自旋结”，它标志着相边界的顶点，在这里，系统从一个均匀的过饱和矩阵相转变为两个或多个相的非均相混合物，具有不同的化学计量比。失衡分解通过提供强扩散障碍和引入反相边界来提高加工硬化能力。不同区域的一致性有助于最大限度地减少应变累积，这意味着局部裂纹的产生受到抑制。此外，它对位错运动产生抑制作用，从而增强了强度，对位错运动的阻力与旋节微结构中浓度梯度的强度成正比。

晶界在多晶材料中普遍存在，影响材料的力学强度。因此，调节晶界作为一种提高材料强度的方法受到了广泛的关注。这方面的一个例子是晶界偏析工程，其中间隙元素偏析到晶界。这有很多好处，比如加强连接口、减少灾难性故障事故的概率、提高内聚性和降低界面能来稳定纳米晶体。通过在Fe40Mn40Cr10Co10合金中加入硼，晶界偏析工程同时提高了晶体的强度和塑性，在同等或更好的塑性条件下，屈服强度提高了～40%。通过提高晶面黏聚力可以进一步提高金属延性。这种方法被认为是在不改变基体成分的情况下提高合金强度的一种有效有效且经济的方法。

澳大利亚阿德莱德大学的S.J. Tsianikas等人采用磁控溅射法制备了一种具有类旋节结构BBC高熵钢，并对其力学性能进行了评价。除富硼晶界外，富铁区（贫铬区）和富铬区（贫铁区）具有显著的结构特征。铁和铬的分布遵循典型的纳米波模式，其中铁和铬的组成变化有20%左右差别。高强度和延性的结合，使得其潜在机制被揭开。相关研究以题为“Forging strength–ductility unity in a high entropy steel”发表在材料科学与技术学报（Journal of Materials Science & Technology）上。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030221010446

该合金具有柱状组织，平均晶粒宽度约为100 nm，无堆垛错或孪晶界等平面缺陷。此外，该合金是均匀的，没有孔隙或不连续区域。APT测定的合金成分的原子百分数为Fe72.40Co13.90Cr10.41Mn2.74B0.34，其余为微量杂质（< 0.3 at.%）。这与目标成分（即Fe49.5Mn30Co10Cr10B0.5）有很大的不同，这可能是由于在施加偏压的磁控溅射过程中存在的原子迁移率差异和离子轰击效应。由于硼是一种轻元素，APT在识别和测量硼含量方面尤为重要。通过EDS观察到Fe和Cr含量在~5 nm波长处出现较大的周期性波动。富Fe区和富Cr区具有相同的晶体结构，且具有相干性，即两者之间既不存在离散界面，也不存在结构不连续。晶界区富含Cr和B，缺Fe。富Cr区和富Fe区之间的晶格失配是通过将EDS和漂移校正帧集成（DCFI）的HR-STEM数据相关联的FFT测量与使用晶格失配的标准方程来确定的，大约为0.5%。

图1所示为高熵钢的组织和成分特征：（a）由TKD数据构建的图像质量（IQ）图，（b）对应的TKD逆极图（IPF）显示了独特的柱状结构，（c）对应的TKD相图（其中绿色表示BCC相），（d） STEM图像显示了原始的BCC晶体结构，（e）折射率衍射模式，和（f-i） Fe, Cr, Co和Mn的计数图分别来自STEM-EELS光谱成像。补充材料中提供了捕捉EELS光谱成像的STEM-HAADF。

图2所示：（a）原子探针断层重建显示Fe、Mn、Co和Cr合金样品，通过冲横截面与二维组分地图描绘Cr和Fe原子百分比的分布；（b）通过（a）中二维成分剖面中圆柱体表示的感兴趣区域的一维原子成分线剖面。

图3所示：原子探针断层扫描二维的地图通过晶界区域（a）Fe、（c）Cr 和（d）B 。（b）和（e）提供了组成元素的一维组成剖面，b等浓度面（1.5%阈值），通过b等浓度面获得了（e）所示的一维剖面。Fe-Cr调制也是明显的，Cr和B选择性地分离到GB中，Fe也随之减少。

图4所示：（a）原位微柱压缩过程中获得的两个典型工程应力-应变曲线，（b）用于后续TEM分析的微柱死后SEM图像（虚线表示原始尺寸），显示受控剪切变形使其具有良好的室温塑性。

图5所示为对合金试样压痕变形的分析：（a）最大载荷为200 mN时试样变形的IPF，（b） 400 mN时试样变形的IPF，对应的相图为（c）和（d），其中BCC结构用绿色表示。（b）中的插图中的STEM图像为BCC结构，在黄色矩形标记的附近得到。

图6所示为失活后柱试样剪切区位错分析显示沿区轴方向有边缘分量的位错：（a）沿[110]区域轴的STEM图像显示存在1/2[1?11]个纯边缘位错，图中用于TEM分析的感兴趣区域用红色方框标记；（b）对应的FFT滤波图像显示了未闭合的Burgers电路，（c）和（d）图像显示了附近观察到的[110]位错1/2[1?10]边缘分量。

变形后，合金保持其主要的BCC晶体结构（> 98%），没有非晶化，也没有在STEM成像中观察到的孪晶界或堆垛断层等平面缺陷。合金的晶粒形态也表现出明显的重构，直接在凹口下方出现规则的等轴晶粒，而在边缘处，柱状晶粒变窄。微柱压缩表明，在高应力下，材料发生剪切变形，这是一个高度位错主导的过程。特别是在失活试样中，在高度变形区域内观察到大量完美的纯边缘位错和既有边缘成分又有螺钉成分的混合位错。结合上述及实验结果分析，得出：在这些严重变形的区域，既没有变形孪晶，也没有裂缝，因此可以断言其具有良好的室温合金的可塑性。

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