北理工塑性顶刊：FCC - BCC相变使高熵合金抗拉强度和塑性提高

导读：在高熵合金( HEAs )中，FCC - BCC相变诱导塑性( TRIP )已被广泛研究，通过压缩/拉伸加载或热加工工艺来定制其力学性能。本工作采用分子动力学( MD )和蒙特卡罗( MC )模拟相结合的方法，研究了TRIP效应对Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5高熵合金单轴应变拉伸变形行为的影响。我们的结果表明，根据N - W关系，发生了完全的FCC - BCC相变，导致强度和延展性同时提高。这归因于HEA显著低的堆垛层错能和明显的晶格畸变( LD )。然而，短程有序( SRO )对原子滑动起阻碍作用，进一步降低了相变程度，导致杨氏模量增加但延展性降低。此外，应变速率的增加可以在一定程度上促进相变的发生，但同时也会导致无序缺陷程度的增加。我们还发现，HEA在高达900 K的温度范围内保持了优异的热稳定性，但相变量随着初始温度的升高而降低。我们对FCC - BCC转变的系统研究，考虑了SRO、LD、应变速率和温度的影响，为实际设计目的定制高熵合金的力学性能提供了见解。

多主元合金，即所谓的高熵合金( High Entropy Alloy，简称HEAs )，由于其优异的力学性能，如超高强度的和超塑性的，高温稳定性的和低温延展性的，以及优异的断裂韧性的，在科学和工程领域引起了越来越多的关注。在研究报道的所有物相中，面心立方( FCC )和体心立方( BCC )单相高熵合金最为常见。一般来说，FCC HEA具有优异的延展性但强度较低，而BCC HEA为硬而脆的。因此，结合FCC和BCC结构的优点，将有助于克服"强度-延性折衷"问题。为了调控高熵合金的力学性能，人们在相变方面做了大量的工作，主要分为热加工过程诱导的双相和极端塑性变形诱导的相变两种途径。对于前者，采用高压扭转技术研究了Ti Al Fe Co Ni 和Al Cr Fe Co Ni Nb中L21 - BCC双相的形成机理，发现其硬度( 880 ~ 1030 Hv)显著提高。Chandan等人研究了高压扭转下Ni在Fe40Mn40Co10Cr10高熵合金中的作用，表明Ni的加入抑制了TRIP效应，但表现出更大的峰值硬度。在Al Co Cr Fe Ni、Co Fe Ni Cr、Al Cr Fe2Ni2、FCC ( Ni ) - B2 ( Ni Al )纳米结构和Al0.5Co1.5Cr Fe Ni1.5HEA中观察到双相诱导的屈服强度增强。方教授等人通过原子模拟研究了FCC / HCP双相纳米晶Co Cr Fe Mn Ni高熵合金，由于显著的界面硬化而表现出优异的强度。

另一方面，应变诱导相变对调控高熵合金的力学性能具有重要作用。在Fe40Mn40Co10Cr10，FeCoCrNi，AlCoCrFeNi中，FCC到密排六方( HCP )相变已被普遍报道。林教授等人报道了在FeCoCrNi高熵合金中，通过Shockley不全位错在( 111 ) FCC面的滑移，可以在低温下发生FCC单键的HCP转变。Kim等在223 K观察到Fe40Mn40Co10Cr10中FCC单键HCP转变，而室温下各种位错结构主导塑性变形。这种差异可以归因于堆垛层错能随温度的降低。除了FCC单键HCP，在Fe45Co25Ni10V20、CoCrFeNiMn、AlCoCrFeNi和Fe60Co15Ni15Cr10中也研究了FCC - BCC转变。相变诱导塑性( TRIP )总是能同时带来强度和塑性的提高，如文献报道的1.5 GPa的优异强度和87 %的延展性。FCC - BCC转变可以起源于晶界、层错( SFs )和剪切带交叉点。其强化机制可归结为多相应变硬化和并发载荷分配。Bahramyan等系统研究了AlxCrCoFeCuNi高熵合金在不同温度和应变速率拉伸载荷下的TRIP和孪生诱导塑性( TWIP )，发现发生FCC - BCC转变，反之亦然，SFs形核和纳米孪生。最近，采用机械合金化和放电等离子烧结技术成功制备了非等原子浓度的单相FCC Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5HEA，其具有优异的屈服强度( ~ 1.8 GPa )和高硬度( ~ 454 Hv )。结果表明，Al元素的添加可以提高合金的固溶强化效果。计算工作报告了该HEA中的FCC - BCC相变现象，表明相变可以增加延展性并保持较高的强度。相变对晶体取向和应变速率敏感。王教授等人研究了晶粒尺寸和Al含量对多晶Co Ni Fe AlxCu1-xHEA拉伸性能的影响。陈教授等报道了FCC和BCC结构多晶Co Ni Fe AlxCu1-xHEA在压缩下的Hall - Petch关系和逆Hall - Petch关系。尽管对这种HEA进行了大量的研究，但FCC - BCC相变对材料拉伸性能的影响及其影响因素仍不清楚。

本工作选取单相FCC Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5高熵合金，采用蒙特卡罗( Monte Carlo，MC )和分子动力学模拟相结合的方法，从原子尺度研究相变对拉伸变形的影响。综合考察了LD、SRO、应变率和初始温度的影响。结果表明，在极高的应变速率和较宽的温度范围内，FCC - BCC相变可以有效地提高材料的塑性和断裂强度。此外，LD在受到SRO约束的同时也能促进这种转变。

北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室的邵建立教授团队对此进行了研究，相关研究成果以题为“FCC-BCC phase transformation induced simultaneous enhancement of tensile strength and ductility at high strain rate in high-entropy alloy”发表在期刊International Journal of Plasticity上。

链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0749641923002140

图1 ( a )随机和( b ) MDMC样品的显微观察；( c ) T = 300 K时MD / MC混合弛豫过程中每个原子的势能( PE )变化；( d ) Random和( e ) MDMC样品中不同元素对的Warren - Cowley参数( WCP )；( f ) MDMC，Random和A原子样品的径向分布函数g ( r )和( g )对应的半峰全宽g ( r ) FWHM。在( a )和( b )中用蓝色箭头指示拉伸加载方向。将纯MD弛豫后的HEA样品记为Random，MDMC表示其经历了混合MD / MC弛豫。A原子代表由平均EAM势弛豫的虚拟元素样品。

图2 ( a )随机和MDMC试样初始时刻的微观结构视图；( b )沿x轴的原子熵分布；( c )去除熵大于的原子和其他原子的归一化元素概率分布P，以便清晰可视化。原子分别用元素种类、Voronoi体积和平均原子熵进行着色。缩放快照中的黑线将体积较小和较大的区域分开。

图3( a )随机，( b ) A原子和( c ) MDMC样品在应变速率为109/s几个时刻的微观结构视图。通过a - CNA方法识别的结构类型对原子进行着色。绿色箭头表示拉伸方向。(对于这个人物传说中对色彩的引用的解读,读者参考了本文的网络版。)

图4 在应变速率为109/s的几个时刻随机样品的微结构快照。通过( a ) a - CNA方法识别的结构类型和( b )剪切应变对原子进行着色。中间等级呈现a4和a5的放大视图。红色线条有助于可视化结晶方向。(对于这个人物传说中对色彩的引用的解读,读者参考了本文的网络版。)

图5 ( a , d) Random、( b , e) A - atom和( c , f) MDMC样品在应变速率为的若干时刻的微观结构快照108/ s和109/ s。通过a - CNA方法对原子进行着色，并去除FCC原子和"其他"原子，以实现清晰的可视化。

图6 ( a )随机和A原子样品在不同温度T下的径向分布函数g ( r )和( b ) FWHM。

图7 ( a )随机和( b ) A原子样品在T = 1 K的几个时刻的微观结构快照。原子被a - CNA方法识别的结构类型着色。第四个等级展示了用绿色标记的区域的放大视图。红色线条有助于可视化结晶方向。为了清晰的可视化，FCC原子被移除。(对于这个人物传说中对色彩的引用的解读,读者参考了本文的网络版。)

图8 ( a , c) Random和( b、d) A原子样品在T分别为600 K和900 K时的多个时刻的微观结构快照。最后一个秩表示

图9 ( a )具有西山-瓦塞尔曼( N-W )关系的FCC向BCC转化图。( b ) 10 %应变下随机样本FCC ( 111 )面的快照。绿色圆圈和蓝色圆圈分别表示( a )中的FCC和BCC格位。( b )中的原子通过a - CNA方法识别的结构类型进行渲染。( b )中的矩形和平行四边形表示FCC和BCC结构单元。

图10不同( a )应变速率和( b )初始温度下BCC结构断裂强度

图11随机、A原子和MDMC试样在断裂前( a ) 108/ s、( b ) 109/ s和( c ) 1010/ s应变速率下的位错密度变化。

本文采用原子模拟方法，系统研究了不同应变速率和初始温度下FCC - BCC相变对Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5高熵合金变形行为的影响。采用混合MD / MC方案生成具有SRO的样品，同时考虑具有平均电位的虚拟元件样品来研究LD的影响。主要结论概括如下：

1 .三个样品在弹性阶段表现出相似的行为，塑性以FCC - BCC相变为主，符合N - W关系，与堆垛层错的形核存在竞争关系。这种塑性可以同时提高试样的延展性和抗拉强度。

2 .应变速率可以促进FCC - BCC相变的发生，这源于形成了更多的形核点，因此，进一步增加应变速率会反过来破坏相变程度，因为一旦完成完全转变，相变得更加无序。

3 .LD可以促进FCC - BCC转变，从而反向阻碍堆垛层错的形核。SRO会减少FCC - BCC转变和堆垛层错形核，这是由于SFE增加，导致拉伸强度降低，但杨氏模量增加。相变也高度依赖于加载方向和Al浓度。

4 .升高温度会使初始晶态结构由完善的FCC转变为无序状态，产生软化效应。当T低于900 K时，Co25Ni25Fe25Al7.5Cu17.5高熵合金表现出优异的拉伸性能稳定性，超过此温度后力学性能明显下降。

我们的研究结果从较宽的温度和应变率范围说明了FCC - BCC相变效应与SRO和LD的结合，表明FCC - BCC相变可以有效地改善HEA的延展性和强度，以及其应变率和温度敏感性，这可能是在极端应用下设计和制造新型HEA结构的关键路线。