Mo掺杂NiCoCr中熵合金的分层结构形变带来的强韧性协同提升

【引言】

高熵合金具有变化范围极大的局域化学环境，通常具有大于1.5R的构型熵。受到一个相似概念启发，中熵合金得以发展，其构型熵在1R至1.5R之间。例如，典型的三元NiCoCr中熵合金，具有无序面心立方结构，在室温和低温环境下均具有优于FeCoNiCrMn高熵合金的力学性能。然而，有关中熵合金显微结构敏感度，特别是关于合金化和制备方法的研究极为有限，而该方面的研究或许会为提高中熵合金的性能提供新的启示。

【成果简介】

近日，德国马克斯-普朗克钢铁研究所的Junyang He和Surendra Kumar Makineni（共同通讯作者）与北京科技大学、英国帝国理工学院的同行合作，在Script Materialia上发表了题为“On the formation of hierarchical microstructure in a Mo-doped NiCoCr medium-entropy alloy with enhanced strength-ductility synergy”的文章。作者通过Mo掺杂和热机械过程相结合的优化方案，证明了NiCoCr中熵合金中分层结构的形成会导致屈服强度和极限拉伸强度的显著提升，同时断裂延伸率也提高了35%。Mo的增加会减缓700℃时冷轧合金的结晶动力学。经过4小时退火，显微结构由较软的再结晶部分和较硬的未结晶区域组成，此外还有弥散的σ偏析物、退火孪晶和残留的堆垛层错/纳米孪晶，实验表明以上组成对总体力学行为都有贡献。

【图文导读】

图1：低倍放大的ECC显微结构表征。

(a)Mo掺杂中熵合金在冷轧后900℃/1h退火的完全再结晶结构；

(b)Mo掺杂中熵合金在冷轧后700℃/4h退火的部分再结晶结构；

(c)在部分再结晶的Mo4-PR中熵合金的预先再结晶区域中，均匀分布着细小的未再结晶区域和再结晶晶粒；

(d)图(c)中显微结构的细节：细小的未再结晶区域；

(e)图(c)中显微结构的细节：再结晶晶粒；

(f)包含上述所有特征的Mo4-PR中熵合金显微结构示意图。

图 2：对再结晶区域偏析物的原子结构和成分表征。

(a) 低倍放大的HAADF-STEM图像显示晶界处存在一种偏析物；

(b) 高倍放大的HAADF-STEM图像显示连接FCC的γ-基底和σ相的界面区域；

(c) 表示含有部分σ偏析物的Mo4-PR样品中Ni（绿色）和Mo（红色）分布情况的APT分布图；

(d) 穿过11 at.% Mo等成分表面的近邻直方图揭示了偏析物和基底之间的元素划分。

图3：部分再结晶和完全再结晶的Mo4-PR中熵合金比较拉伸性质。

(a)工程应力应变曲线，有来自 [39]的数据；

(b)应力/加工硬化速率和真实应变的关系曲线；

(c)DIC分布图显示Mo4-PR样品中断裂前的应变分布情况。

图4：ECC图像显示部分再结晶Mo4-PR样品中不同局域应变程度的变形显微结构。

(a&b) 12%局域应变处，早期形变阶段多形成堆垛层错；

(c&d) 15%局域应变处，致密的台阶状形变孪晶传播通过了再结晶晶粒；

(e&f) 50%局域应变处，较多相交的多重形变孪晶仍然存在于模糊的衬度之外。

【小结】

总的来讲，作者通过Mo掺杂和热机械过程相结合的方式，展示了NiCoCr中熵合金中分层显微结构形成的可能性。最佳组合结果会产生部分再结晶态，中熵合金的屈服强度表现出显著的增加，比完全再结晶的样品高出60%。从而催生出了分层结构的出现，例如再结晶和未再结晶区域，Mo/Cr富集的σ-偏析相，退火孪晶和残留的堆垛层错/纳米孪晶。合金发生塑性形变时先通过堆垛层错的多处形变随后孪晶形变导致总体的加工硬化和韧性。该工作证明了中熵合金对合金化和热机械过程十分敏感，会产生分层显微结构以及力学性质的提高，有助于进一步拓宽结构应用材料设计的范围。

文献链接：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）