屈服2GPa，延伸率6%！超高强度应变硬化中熵合金！

导读：马氏体时效钢以超高强度和良好的断裂韧性而闻名，其优越的性能来自具有高密度纳米沉淀的板条马氏体结构。本文设计了一种新型的基于铁的中熵合金，其化学成分为Fe60Co25Ni10Mo5。通过在650°C下仅10分钟的单步时效，该合金表现出微观结构，包括在板条马氏体结构和FCC相非常高数量密度的（Fe，Co，Ni）7Mo6型纳米沉淀物，这导致超高屈服强度高于2 GPa。此外，通过利用变形诱导的FCC转化为BCC马氏体，该合金表现出约2.2 GPa的高极限抗拉强度和∼6%的均匀延展性，而BCC马氏体在传统马氏体钢中几乎没有被利用。这项工作展示了一种新颖的方向，通过在高熵概念的帮助下扩大材料设计的视野，并克服传统材料的局限性，来生产坚固和延展性材料。

具有超高强度和良好延展性的合金因其在汽车、军事和航空航天工业中发挥重要作用而备受青睐，适用于最具挑战性的应用。这些行业不断要求开发强度和延展性优于现有合金的高性能合金。特别是，对二氧化碳减少的日益担忧导致全球对汽车和其他工程行业的监管，使他们不断努力同时应对这一当前趋势，并确保安全，而安全始终是优先事项。因此，超强和延展性合金的开发对于确保组件在服务期间的安全以及减少环境问题都至关重要；此类材料可以在不牺牲组件安全的情况下最大限度地减少组件厚度并减轻重量，从而在生产成本、燃油经济性和温室气体排放方面带来好处。在提高合金强度的方法中，利用高密度的纳米级沉淀物通常是大多数超高强度材料的关键策略。混料钢，具有Co、Ni、Mo、Ti、Al、Nb和低C含量的高合金钢，代表沉淀硬化超强材料。“瞅”一词是“瞅矿”和“老化”的组合，它揭示了其通过瞅母的老化诱导降降的强化策略。压丝钢在金属材料中显示出最高的极限抗拉强度（UTS），根据成分和老化条件，金属材料可以超过2 GPa。例如，据报道，18NiCo（350）级压载钢在峰值条件下表现出约2.5 GPa的显著UTS。

另一方面，在过去十年中，一种基于多原理元素（MPE）的新型新兴合金具有巨大的成分范围，引起了材料科学研究人员的广泛关注。基于MPE设计的合金被称为多原理元素合金（MPEA）或浓缩复合合金（CCA）。根据它们的配置熵，它们最广为人知的是高熵合金（HEA）或中熵合金（MEA）。自2004年发现高熵合金设计概念以来，已经开发出许多具有先进机械性能的合金，如拉伸性能，断裂韧性，耐疲劳性或超塑性。具有原子尺寸不匹配的多种元素的固体溶液形成导致严重的晶格变形和大规模固体溶液强化，这是一个很大的优点，在很大程度上有助于提高这些合金的屈服强度（YS）。在HEA和MEA的几个类别中，基于铁的非等原子MEA（Fe-MEA）因其相对较低的成本和优异的拉伸性能而得到了积极研究。Fe-MEAs的大成分范围为开发超强材料提供了巨大的可能性，它结合了传统钢中使用的强化机制，如降水强化或变形诱导的马氏体转化转化为上述MEA的大规模固体溶液强化。

在这项工作中，浦项科技大学材料科学与工程系的Hyoung Seop Kim教授团队提出了一种新型的Fe-MEA，其成分为Fe60Co25Ni10Mo5（at%），通过同时利用Fe-MEA和马氏体钢的优点，具有超强和延展性。Mo在合金设计方面具有很高的多功能性，首先，因为它能够通过Mo基沉淀物来提高强度，而不会显著降低延展性。Mo的大原子半径也有助于增加固体溶液的强化。Co降低了钕在基质中的稳定性，并促进了在压干钢中均匀分布的富钕沉淀物形成高体积部分。添加Ni是为了促进老化过程中表面中心立方（FCC）相和Ni-Mo型沉淀物的形成。在目前的Fe-MEA中，使用比传统马氏体钢更高的Co和更低的Ni含量来控制沉淀和FCC相位稳定性。模型Fe-MEA是通过一种简单的常规制造路线制造的，涉及铸造、均质化、轧制和短老化热处理，持续10分钟，产生由板条状痩石、致密纳米沉淀物和恢复FCC相组成的微观结构。这种合金和微观结构设计策略导致了超高强度，根据老化温度，YS达到1.5∼2.4 GPa。更令人惊讶的是，在650°C和700°C下老化的合金表现出相当大的应变硬化能力和均匀的延展性，这对提高结构材料的承重能力至关重要，结构材料的承载能力从颈部开始就迅速下降。大多数传统的压泥钢尽管具有很高的YS和UTS，但它们过去缺乏应变硬化性。我们的实验结果证实，马氏体时概念可以成功地适应高熵合金设计，以克服两组材料的局限性，并实现超高强度和应变硬化能力。相关研究成果以“High-density nanoprecipitates and phase reversion via maraging enable ultrastrong yet strain-hardenable medium-entropy alloy”发表在金属顶刊Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645423001416

图1.热轧和老化条件下Fe-MEA的微观结构表征。（a）HR和老化样品的同步XRD模式。插入a是（b）HR、（c）A600、（d）A650和（e）A700样本的两个theta范围的放大部分，即35∼55° EBSD相位图和IPF图。

图2.(a) HR、(b) A600、(c) A650和(d) A700样品的STEM图像。插入（a）显示高放大倍率的STEM图像，说明高位错密度。在（d）中插入显示与（d）对应的选定区域衍射（SAED）模式。

图3.A700样品中沉淀物的TEM表征。（a）高放大倍率的A700样品的STEM图像。（b）（a）沉淀物中的EDS浓度剖面。（c）（a）中沉淀物的HR-TEM图像。插入（c）显示与沉淀物对应的FFT模式。

图4.A600样品的APT分析。（a）使用A600样品15%Mo的等表面浓度重建Fe、Co、Ni和Mo原子并重建数据。（b）（a）部分等表面，以及（c）沿（b）气缸的纳米层和纳米沉淀的一维浓度剖面。

图5.A650样品中恢复FCC阶段演变的详细描述。A650老化样品的STEM和相应的EDS浓度剖面说明了（a）存在富钼层，（b）在富钼层旁边形成FCC层，以及（c）独立的FCC层。STEM图像中的黄线表示进行线EDS分析的区域。EDS配置文件中的插图是STEM图像的放大部分，在那里进行了线EDS分析。

图6.随着温度的老化，微观结构演变的示意图。

图7.在当前工作中实现的拉伸性能，并与其他合金的比较。（a）在HR和老化条件下，工程应力与MEA的应变曲线。（b）拉伸性能与其他超高强度合金的比较。（c）真实应力和应变硬化率与应变曲线。

总之，Fe60Co25Ni10Mo5Fe-MEA是结合大理石钢和高熵合金的概念设计的。该合金在HR条件下表现出马氏体板条结构，在600∼700°C下老化10分钟，引入了高密度的纳米（Fe，Co，Ni）7Mo6型μ相沉淀物，以及部分相回归富镍FCC。微观结构实现了卓越的拉伸性能，特别是A650样品显示UTS为∼2.2 GPa，UE为∼6%。虽然纳米沉淀物在很大程度上促进了强度，但从恢复的FCC到BCC的DIMT的TRIP效应导致了应变硬化和改善UE。目前超高强度和强应变硬化能力的组合在传统压钢中是前所未有的。事实上，这些显著的特性是通过简单的路线实现的，包括热轧和短暂的单步老化，而不需要在更长的持续时间内进行复杂的多个热处理步骤，这使得目前的合金对未来具有挑战性的应用更具吸引力。我们的工作通过高熵设计方法克服传统材料的现有范围和限制，为开发高性能新型合金提供了有用的见解。