由于金属间相脆化，在准静态拉伸实验中，低温退火FCC基合金的延展性明显下降。本文展示了一种通过在具有高堆垛层错能的等原子CoNiV中熵合金(MEA)中，实现脆性金属间相(κ)剪切和变形孪晶来克服变形能力损失的新方法。脆性κ相不仅通过剪切有助于提高抗拉强度(~1800→2000MPa)，而且还提高流变应力以接近变形孪晶开始的临界值(~1660→1750 MPa)。此种剪切和孪晶有助于进一步的加工硬化，提高MEA的变形能力（均匀伸长率~27%）。发现MEA由κ相脆化引起的延展性下降可以恢复。将可变形相和高应力变形孪晶结合提出一种迄今为止尚未开发的强化机制。南科大逯文君团队将此工作以“Deformable κ phase induced deformation twins in a CoNiV medium entropy alloy”为题发表在材料与塑性力学顶级期刊《International Journal of Plasticity》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103509

FCC基高/中熵合金(H/MEAs)以等摩尔或接近等摩尔的比例混合多主元元素，因其出色的延展性、耐腐蚀/氢脆性和低温/高温性能而备受关注、。CoCrNi合金作为具有代表性的FCC-MEAs，具有最高的低温断裂韧性（与几乎所有现有的传统金属合金进行比较）。CoCrNi-MEA可以通过促进机械孪晶等克服低温下的韧性-脆性转变。然而，其长期存在的缺点是其室温屈服强度较低（室温下通常低于400MPa）。

图1退火CoNiV MEA微结构表征

为了提高FCC-MEA在环境温度下的屈服强度，严重的局部晶格畸变设计策略通过替换替代元素来增强晶格摩擦应力（CoNiV-MEA室温屈服强度接近1000MPa）。据报道，当Cr（原子半径：~0.127nm）在高于900°C的温度（仍在FCC溶解度范围内）被V（原子半径：~0.134nm）取代时，会在FCC矩阵中引起局部晶格畸变，因此3d跃迁FCC-MEA之间存在高晶格摩擦应力。当加热温度低于900℃时，通常会促进脆性金属间相的形成，即在面心立方内部或沿晶界形成κ((Co,Ni)₃V)，导致CoNiV-MEA在室温下的拉伸延展性产生不利影响（几乎没有延展性）。由于其他类型金属间相的形成，在CoNiV基合金中也观察到类似的现象：B2、L2₁和μ相。因此，如何优化室温机械性能，特别是含有脆性κ相的CoNiV-MEA的延展性变得至关重要。

图2在880°C下退火CoNiV MEA的STEM分析

一般来说，具有有序六方晶系A₃B晶体结构的κ相，由于其有限的滑移系统和原子键合性质而具有脆性。通常，脆性κ相可以通过将其晶体结构从六方晶格转变为有序立方晶格(L1₂)来增韧。这种转变通常需要改变化学成分，例如，具有L1₂的(Co,Fe)₃V相晶体结构可以通过添加Fe元素从六方(Co,Ni)₃V相转变。然而，这种转变导致合金的强化效果较弱，例如，含有L1₂相CoNiVFe合金的屈服强度较低（~450MPa）。因此，如何在不改变其晶体结构的情况下提高κ相的变形能力并保持其高强度特性是研究的重点之一。一些研究人员报道了A3中位错沿基面{0001}的解离，主要由其反相边界(APB)能量控制。这意味着APB能量的有效调整可能会增加κ相中的滑移系统（或剪切）。Cd₃Mg相的一个典型例子已经证明，通过各种热处理调节APB能量是可能的，并且更多的滑移系统被调控以增强力学响应而不改变其晶体结构。

图3力学性能：拉伸曲线、加工硬化曲线等

除了κ相，FCC-MEA中主要的变形机制由SFE控制，因为其决定了位错分解的难度。理想情况下，较高的SFE只会有利于FCC-MEA中位错增殖的激活，从而导致相对较低的韧性。相反，可以通过降低SFE来增强FCC-MEA的韧性。例如，CoNiCr-MEA的低SFE允许机械孪生出现在早期应变，从而提高延展性和韧性。然而，由于CoNiV-MEA具有较高的理论SFE（在0–600K时约为32mJ/m²），因此在室温下无法得到机械孪晶。相反，在拉伸变形过程中，滑带被激活为CoNiV-MEA中的主要变形机制。进一步降低变形温度至77K或4.7K发现仅细化了滑带（即增加位错数密度）而没有增加孪晶特征。

图4 AN880样品的纳米压痕分析

已知，除了CoNiV-MEA中的滑移带外，几乎没有关于变形孪晶行为的研究。由于变形孪晶的出现在影响FCC合金的机械性能方面起着重要作用，因此有必要找到一种方法来激活高SFE CoNiV-MEA中的孪晶。先前的研究证实，金属间相（例如B2和σ相）的存在可以增强由于析出强化引起的形变孪晶的可成形性。我们最近的工作进一步表明，当通过双沉淀（B2相和κ-碳化物）强化改善FCC基体的流变应力时，具有高SFE（∼79mJ/m²）的FCC高熵钢(HES)可以出现变形孪晶。因此，随着在高SFE材料中更容易形成孪晶，预计基于孪晶的强化效果会更加丰富（例如，最终有助于HES中的持续应变硬化）。同样，在本研究中，高SFE CoNiV-MEA含有大量κ相，这可能促进孪晶形成以增强其变形能力。

图5退火拉伸试样的微观结构表征

本文目的有三个，工作的第一部分是将热机械处理与微观结构表征相结合，研究温度对CoNiV-MEA中κ相析出行为的影响。第二部分是研究包含各种κ相剪切和变形孪晶的CoNiV-MEA的室温拉伸变形响应。最后，将讨论在拉伸试验中导致κ相和变形孪晶的强化和增韧机制。

图6 拉伸过程的分析

图7 变形前后AN880样品中κ相的TEM/STEM分析。

总之，本文系统地研究了具有和不具有脆性κ相的高SFE CoNiV-MEA的力学性能和变形行为。发现适当的热机械加工（例如880 °C）可以有效促进CoNiV-MEA的FCC基体内κ相的沉淀。κ相对增强CoNiV-MEA的力学性能具有深远的强化作用：屈服强度（~1100 MPa）、真实极限抗拉强度（~2000 MPa）和断裂应变（~32%）。CoNiV-MEA的变形机制主要由κ相剪切和变形孪晶的协同作用决定。因此，κ相内部的这种剪切是一种软化机制，可以提高CoNiV MEA的变形能力。可变形的κ相可以提高流变应力以接近变形孪晶开始的临界值，有助于进一步加工硬化以提高其变形能力（均匀伸长率高达27%）。本研究指导了用于环境温度应用的包含脆性金属间相的高性能MEA的设计。（文：早早）