初始微观结构的持久效应对CoCrFeNi基高熵合金微观结构演变及力学性能的影响

《Journal of Materiomics》：Influence of persistent effects of initial microstructure on the evolution of microstructure and mechanical properties in CoCrFeNi-based high entropy alloys

高熵合金初始晶粒尺寸和再结晶程度影响热力加工后的显微组织演变与力学性能，细小初始晶粒通过高晶界密度促进更细再结晶结构，并改变析出物形貌（如球状或片层状），最终实现强度与塑性的协同优化。

　　本研究探讨了初始晶粒结构对高熵合金（HEAs）在热机械加工后微结构演变和力学性能的影响。高熵合金因其独特的组成和性能特性，近年来受到广泛关注。这类合金通常由四种或更多元素以近等比例混合而成，相较于传统合金，其高配置熵有助于形成单一相固溶体，如面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和六方密堆积（HCP）结构。这些合金在室温及低温条件下表现出优异的强度与延展性协同效应，这主要归因于其丰富的滑移系统，使其在航空航天、能源系统等领域的应用前景广阔。然而，目前高熵合金的屈服强度仍相对较低，这限制了其在功能材料中的应用。因此，如何在提升强度的同时保持良好的延展性，成为优化高熵合金性能的关键挑战。

为解决这一问题，近年来的研究主要集中在通过不同的强化机制提升高熵合金的强度。其中，析出强化和晶界强化被认为是两种最为有效的策略。析出强化通常通过在固溶体基体中引入相干的L1?析出相实现，这种析出相不仅能够有效增强合金强度，还能在一定程度上维持其延展性。晶界强化则通过细化晶粒结构，增加晶界密度，从而提高合金的强度。这些强化机制的有效性依赖于热机械加工工艺的控制，尤其是冷变形和随后的退火处理。在冷轧过程中，严重的塑性变形会产生高密度的位错和晶格应变，这些位错在后续的热处理过程中会成为再结晶和析出相形成的主要驱动力。

本研究的重点在于分析不同初始晶粒结构对再结晶和析出行为的影响。为此，我们精心制备了具有不同初始晶粒结构的CoCrFeNi?Al?.?Ti?.?高熵合金。这些合金的初始晶粒结构特征包括不同的再结晶程度、位错密度和晶粒尺寸。我们采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及单轴拉伸测试等手段，系统地研究了初始晶粒结构对微结构演变和力学性能的影响。研究结果表明，较小的初始晶粒尺寸能够促进更细小的再结晶结构，这主要得益于较高的晶界密度和储存能量。同时，再结晶晶粒的形态表现出显著的持续性，与初始晶粒结构密切相关。此外，初始晶粒尺寸还对析出行为产生影响，较大的晶粒倾向于形成球状析出相并实现连续析出，而较小的晶粒则促进层状析出。

在室温下的拉伸测试显示，具有最细小初始晶粒的完全再结晶合金能够实现最佳的强度与延展性组合。具体而言，该合金的屈服强度为1567 MPa，抗拉强度为1844 MPa，总延伸率为20.4%。这些数据表明，初始晶粒结构在调控再结晶和析出路径方面起着关键作用，为通过微结构设计优化高熵合金性能提供了实际可行的策略。本研究不仅揭示了初始晶粒结构对微结构演变的深远影响，还为高熵合金在先进结构应用中的性能优化提供了理论支持和实践指导。

此外，本研究还强调了初始晶粒结构在热机械加工过程中的重要性。在以往的研究中，人们通常关注变形程度和退火参数对微结构演变和力学性能的影响，而较少考虑初始晶粒结构对后续加工过程的调控作用。通过对比相同加工路线在不同初始晶粒结构下的结果，我们发现未进行均匀化退火的合金表现出明显的微结构不均匀性。这种不均匀性导致了在冷轧过程中应力分布的不均匀，从而显著影响了后续的再结晶和析出过程。研究结果表明，初始晶粒结构对微结构发展具有强烈的持续性影响，这种影响不仅体现在析出相的存在，还与初始晶粒的再结晶程度、位错密度和晶粒尺寸密切相关。

在HEAs的设计与制备方面，我们选择了CoCrFeNi合金作为基础，通过添加Al和Ti元素来促进L1?析出相的形成与稳定。增加Ni与Al、Ti的比例能够有效提升L1?析出相的密度，从而增强合金的强度。同时，为了防止σ相的形成，我们限制了Cr的含量为20原子百分比。基于这些考虑，我们优化了合金的组成，最终确定了CoCrFeNi?Al?.?Ti?.?的配方。该合金的结构和性能在热机械加工过程中表现出良好的适应性，使其成为研究初始晶粒结构对再结晶和析出行为影响的理想材料。

本研究的发现不仅丰富了对高熵合金中再结晶与析出行为相互作用机制的理解，还为高熵合金的微结构设计和性能优化提供了新的思路。通过系统地分析不同初始晶粒结构对微结构演变和力学性能的影响，我们能够更深入地认识高熵合金在不同加工条件下的行为特征，从而为实际应用中的材料设计提供理论依据。此外，研究结果还表明，初始晶粒结构在调控再结晶和析出行为方面具有决定性作用，这为通过调整初始晶粒结构来提升高熵合金的综合性能提供了新的方向。

总之，本研究通过实验和理论分析，揭示了初始晶粒结构在高熵合金热机械加工过程中的重要性。不同初始晶粒结构对再结晶和析出行为的影响显著，这种影响不仅体现在最终的微结构特征上，还直接影响合金的力学性能。研究结果表明，通过合理设计初始晶粒结构，可以有效提升高熵合金的强度与延展性，从而满足工程应用的需求。这些发现为高熵合金的进一步研究和应用提供了重要的参考，同时也为材料科学领域的相关研究开辟了新的视角。