Mo摻雜NiCoCr中熵合金的分層結構形變帶來的強韌性協(xié)同提升

【引言】

高熵合金具有變化范圍極大的局域化學環(huán)境，通常具有大于1.5R的構型熵。受到一個相似概念啟發(fā)，中熵合金得以發(fā)展，其構型熵在1R至1.5R之間。例如，典型的三元NiCoCr中熵合金，具有無序面心立方結構，在室溫和低溫環(huán)境下均具有優(yōu)于FeCoNiCrMn高熵合金的力學性能。然而，有關中熵合金顯微結構敏感度，特別是關于合金化和制備方法的研究極為有限，而該方面的研究或許會為提高中熵合金的性能提供新的啟示。

【成果簡介】

近日，德國馬克斯-普朗克鋼鐵研究所的Junyang He和Surendra Kumar Makineni（共同通訊作者）與北京科技大學、英國帝國理工學院的同行合作，在Script Materialia上發(fā)表了題為“On the formation of hierarchical microstructure in a Mo-doped NiCoCr medium-entropy alloy with enhanced strength-ductility synergy”的文章。作者通過Mo摻雜和熱機械過程相結合的優(yōu)化方案，證明了NiCoCr中熵合金中分層結構的形成會導致屈服強度和極限拉伸強度的顯著提升，同時斷裂延伸率也提高了35%。Mo的增加會減緩700℃時冷軋合金的結晶動力學。經過4小時退火，顯微結構由較軟的再結晶部分和較硬的未結晶區(qū)域組成，此外還有彌散的σ偏析物、退火孿晶和殘留的堆垛層錯/納米孿晶，實驗表明以上組成對總體力學行為都有貢獻。

【圖文導讀】

圖1：低倍放大的ECC顯微結構表征。

(a)Mo摻雜中熵合金在冷軋后900℃/1h退火的完全再結晶結構；

(b)Mo摻雜中熵合金在冷軋后700℃/4h退火的部分再結晶結構；

(c)在部分再結晶的Mo4-PR中熵合金的預先再結晶區(qū)域中，均勻分布著細小的未再結晶區(qū)域和再結晶晶粒；

(d)圖(c)中顯微結構的細節(jié)：細小的未再結晶區(qū)域；

(e)圖(c)中顯微結構的細節(jié)：再結晶晶粒；

(f)包含上述所有特征的Mo4-PR中熵合金顯微結構示意圖。

圖 2：對再結晶區(qū)域偏析物的原子結構和成分表征。

(a) 低倍放大的HAADF-STEM圖像顯示晶界處存在一種偏析物；

(b) 高倍放大的HAADF-STEM圖像顯示連接FCC的γ-基底和σ相的界面區(qū)域；

(c) 表示含有部分σ偏析物的Mo4-PR樣品中Ni（綠色）和Mo（紅色）分布情況的APT分布圖；

(d) 穿過11 at.% Mo等成分表面的近鄰直方圖揭示了偏析物和基底之間的元素劃分。

圖3：部分再結晶和完全再結晶的Mo4-PR中熵合金比較拉伸性質。

(a)工程應力應變曲線，有來自 [39]的數(shù)據(jù)；

(b)應力/加工硬化速率和真實應變的關系曲線；

(c)DIC分布圖顯示Mo4-PR樣品中斷裂前的應變分布情況。

圖4：ECC圖像顯示部分再結晶Mo4-PR樣品中不同局域應變程度的變形顯微結構。

(a&b) 12%局域應變處，早期形變階段多形成堆垛層錯；

(c&d) 15%局域應變處，致密的臺階狀形變孿晶傳播通過了再結晶晶粒；

(e&f) 50%局域應變處，較多相交的多重形變孿晶仍然存在于模糊的襯度之外。

【小結】

總的來講，作者通過Mo摻雜和熱機械過程相結合的方式，展示了NiCoCr中熵合金中分層顯微結構形成的可能性。最佳組合結果會產生部分再結晶態(tài)，中熵合金的屈服強度表現(xiàn)出顯著的增加，比完全再結晶的樣品高出60%。從而催生出了分層結構的出現(xiàn)，例如再結晶和未再結晶區(qū)域，Mo/Cr富集的σ-偏析相，退火孿晶和殘留的堆垛層錯/納米孿晶。合金發(fā)生塑性形變時先通過堆垛層錯的多處形變隨后孿晶形變導致總體的加工硬化和韌性。該工作證明了中熵合金對合金化和熱機械過程十分敏感，會產生分層顯微結構以及力學性質的提高，有助于進一步拓寬結構應用材料設計的范圍。

文獻鏈接：On the formation of hierarchical microstructure in a Mo-doped NiCoCr medium-entropy alloy with enhanced strength-ductility synergy （Script Mater.,2019, DOI:  10.1016/j.scriptamat.2019.08.036）