西南交大《Acta Materialia》：异构FCC高熵合金中的异常变形机制！

在安全关键工程中使用的结构金属材料被期望具有高强度和拉伸塑性，因为高强度有助于提高能效，而良好的拉伸塑性可以防止灾难性破坏。然而，这两种特性很少同时实现。这种权衡困境背后的症结在于当强度增加时应变硬化能力的耗尽。受到坚韧生物系统中异质结构的启发，研究人员最近尝试在金属中构建异质微观结构。在各种异构（非均匀）金属中确实实现了强度和拉伸塑性的提高，甚至优于混合规则所预测的强度和拉伸塑性。然而其变形的基本原理和物理背后的非凡机械效应还没有完全理解。关键在于异构区域之间协同变形机制的复杂性。从最近的进展中提取出几个进一步的问题：长期内应力如何与其他潜在或普遍的机制相互作用？异质区间相互作用如何影响应变的适应性？第二个问题涉及施加应变在微观尺度下的协调和分配，这与应变局部化的成核和演化密切相关。

本文中，西南交通大学马新凯副教授联合香港城市大学朱运田教授等以初始单相面心立方高熵合金中最常见的异质结构之一为例，探讨了上述问题背后的关键基础。基于实验结果，从理论上分析了弹塑性过渡阶段由于异质区边界处强烈的位错塞积于而产生的长程内应力积累，从而显著提高了屈服强度。在塑性阶段，高的内应力有助于激活细晶区（软域）的相变，而区间约束导致在纳米结构区（硬域）形成分散的稳定应变带。这些额外的机制连同增强的形变孪晶，促进了加工硬化，并协调了区域之间的应变分配，从而提高了高流动应力下的塑性。这些发现表明了异质结构设计的一个原则：引入强异质区间相互作用来增强长程内应力，从而调用新的变形机制。

相应成果以“Unusual deformation mechanisms evoked by hetero-zone interaction in a heterostructured FCC high-entropy alloy”为题发表在《Acta Materialia》上。

异质结构是通过冷轧和部分再结晶形成的。将均匀化的材料经过多道次冷轧以获得高度细化的纳米结构和尽可能高的储能。优化退火参数得到组成区域的微观结构符合强韧材料的关键设计原则，如图1所示。

图1. 低温轧制后退火制备的Al0.1CoCrFeNi合金异质结构。

图2. 协同力学效应。（a1）77 K和（a2）298 K时异质结构和均质结构的工程应力应变曲线。（b1） 随温度降低的增量（ ）绘制为晶粒尺寸的函数，其中异质结构异常高的 表明额外的强化（ ）。（b2）异质结构CrCoNi和FeMnCrCoNi合金中类似的额外强化。（c）77 K时的应变硬化率Θ，异质结构表现出明显的额外应变硬化。

为了增强协同变形机制及其相互作用，在77 K下进行单轴拉伸，因为降低温度通常会抑制交叉滑移，从而促进GNDs的平面堆积，从而提高远程内应力。由图可知，异质结构 值异常高，明显偏离了均匀材料中 随晶粒尺寸变化的演化规律。图2b1中的 表示了这种偏差，表明在77 K时，显微组织非均质性诱导的额外强化明显增强。由于298 K时的协同强化可以忽略不计，因此 实际上也可以认为是对77 K时协同强化的保守评价。值得注意的是，在低温下这种增强的协同强化也在异质结构CrCoNi和FeMnCrCoNi合金中发现（图2b2），这意味着这可能是异质结构fcc材料的普遍行为。

图3. 代表性的TEM和STEM图像显示了77 K时异质结构中细晶区在宏观屈服附近的变形：（a1-a2）在~1000 MPa的应力水平下中断，TEM图像显示了异质界面附近最早的位错痕迹和早期在异质界面处的塞积，（b）在拉伸应变为~1.5%时，明场STEM图像显示在几微米尺度发育的位错塞积。

图4. 77 K ~3%拉伸应变下异质结构细晶区的变形行为。（a）在异质界面处的位错塞积与反射。（b, c）沿[011]带轴在位错塞积头附近拍摄的HRTEM图像，显示9R相的形成。（b）中的插入图为水平点阵应变εx图。（c）中的快速傅里叶变换图证实了fcc相和9R相的共存。

图5. 代表性的TEM图像显示（a）在77 K ~20%拉伸应变下，细晶区形成了广泛的9R相和（b、c）发育良好的纳米层hcp相。（a2）9R与fcc相界面的放大图像；（a3）9R/fcc界面区域的IFFT图。（b1）异质界面附近hcp相位的明场TEM图像。相应的SAED图和HRTEM图见（b2, b3）。（c2）中的SAED模式证实了fcc基体、孪晶和hcp相的共存。（c3）利用{0001}衍射面获得的暗场TEM图像，以突出薄hcp板条。

图6. 非再结晶纳米结构区的异常应变调节机制，通过77 K时异质界面上的微观应变图（沿张力方向的应变分布）揭示了非再结晶纳米结构区通过形成分散的稳定应变带的异常应变调节机制。每个子图上面的数字表示施加的应变。

图7. （a）弹塑性过渡结束时，位错在异质界面处塞积以适应细晶区塑性应变梯度示意图。（b）堆积引起的长程内应力图（细晶区的背应力， ）。（c）滑移面上的长程内应力的线性分布，绘制为与异质界面距离的函数关系。

总之，在理解异质结构材料的协同力学效应和潜在机制方面仍存在挑战，在这里我们特别关注长期内应力如何与其他机制相互作用，以及异质区间相互作用如何影响应变协调。采用实验观察和理论分析相结合的方法，研究了Al0.1CoCrFeNi合金中由纳米结构片层（硬域）镶嵌在细晶基体（软域）中形成的具有密集异质界面的异质结构的变形响应和跨尺度机制。主要发现如下所示：

• 在屈服阶段，区间的弹塑性相互作用使位错在异质界面处塞积，其平均长度（ ）可达 ~0.72 μm ，密度为 ~ 0.8 。这在细晶区产生了很高的背应力，使位错塞积区域的内应力增加了近一倍，并且在距离异质界面 10 的区域内应力增加了约 20% 。这种强化效应被正向应力部分抵消，产生的额外强化约占屈服强度的 9% 。

• 得益于高长程内应力，细晶区达到临界相变应力，导致屈服后不久在位错塞积附近首先激活 9R 相变，在大应变阶段激活纳米层状 hcp 相变。同时，内应力的改善也促进了孪生。这些机制导致额外的加工硬化。

• 异质区间相互作用激活了纳米结构区分散的稳定应变带（ SBs ），促进了区域间的非局部应变分配，从而提高了均匀伸长率。有限的应变硬化能力使 SBs 成核，而区间约束是稳定 SBs 从而保证分散成核的关键。

• 相变和分散稳定的 SBs 在均质材料中不能被激活。因此，异质结构的基本变形被阐明：除了直接贡献强度之外，异质区间相互作用和长程内应力的发展可以帮助调用均质对应物无法实现的拉伸塑性机制。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队支持。