通过调节层错能和晶格畸变来协调FeMnCrCo高熵合金的阻尼机制

《Materials Science and Engineering: A》：Coordinating the damping mechanisms of FeMnCrCo high-entropy alloys by regulating the stacking fault energy and lattice distortion

高熵合金铁锰铬钴体系通过调控钴含量和热处理工艺，研究了相组成、微观结构与阻尼性能的关系。结果表明，钴含量20%的合金因高密度小角度晶界和ε-马氏体/γ-奥氏体界面，室温全应变幅下阻尼性能最优（Q-1=0.090），且符合Granato-Lücke位错阻尼模型。温度扫描显示-140℃至140℃间出现三处阻尼峰，分别对应位错运动（P1）、马氏体逆相变（P2）和堆垛层错滑动（P3）。热处理使晶界迁移率降低，但淬火态合金因晶格畸变和位错密度优化，整体阻尼性能提升。该研究为高熵合金多机制协同阻尼设计提供了理论依据。

　　本文探讨了FeMnCrCo高熵合金在不同条件下的阻尼性能及其调控机制。随着工业化进程的加快，对振动和噪音的控制需求日益增加，传统的减震措施已难以满足当前的应用需求。因此，研究具有多种阻尼机制的高熵合金成为解决这一问题的关键。高熵合金因其独特的组成和结构特性，能够融合多种阻尼机制，包括相界面滑动、位错行为、孪晶边界效应、磁弹性效应和相变等，使其在高温和热老化条件下仍能保持优异的阻尼性能。本文通过调整合金的成分设计和热处理工艺，系统地分析了Fe_65-xMn₂₀Cr₁₅Co_x（x = 5, 10, 15, 20, 25, 30）系列合金的微观结构和阻尼性能变化，旨在为高熵合金在不同工况下的高性能阻尼设计提供理论依据。

研究发现，Fe₄₅Mn₂₀Cr₁₅Co₂₀合金在常温下表现出最佳的阻尼能力。其优异性能主要归因于丰富的阻尼来源和增强的位错运动性。通过调控堆垛层错能（SFE）和晶格畸变，研究人员可以有效调整合金的微观结构，从而优化其阻尼性能。在常温下的幅值依赖性阻尼行为与Granato-Lücke模型较为一致，而频率依赖性阻尼行为则可能受到不同阻尼机制的影响，其中ε-马氏体中的堆垛层错等阻尼来源在高频条件下的作用可能有所减弱。

此外，研究还分析了在?140°C至140°C温度范围内出现的三个主要阻尼峰的来源。结果表明，Co含量、均质化处理和淬火工艺对SFE和晶格畸变有显著影响，这些参数在调节合金微观结构和阻尼性能方面起着关键作用。通过系统地调节这些参数，可以实现对阻尼机制的精确控制，从而在不同条件下获得更优的阻尼性能。

实验过程中，合金首先通过真空电弧熔炼制备，随后进行均质化和淬火处理，以研究热处理对微观结构和阻尼性能的影响。通过同步热分析（DSC214设备）测定合金的特征相变温度，并利用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等手段分析合金的相组成和微观结构。结果表明，随着Co含量的增加，合金的晶格常数和晶格畸变均发生变化，从而影响其力学性能和阻尼行为。特别是，Co20合金表现出最大的晶格畸变和较高的孪晶边界含量，这可能与其较高的阻尼性能有关。

在力学性能方面，研究发现，随着Co含量的增加，合金的强度呈现先上升后下降的趋势。Co15合金的抗拉强度达到最高值805 MPa，而Co20合金则表现出最低的抗拉强度504 MPa。这一现象可能与Co含量对相变驱动力和晶格畸变的影响有关。在热处理后，合金的塑性有所下降，这可能与晶格畸变增加和位错密度上升有关。此外，研究还发现，Co20合金在淬火后表现出较高的阻尼性能，这可能是由于其更高的SFE和更优的位错运动性。

在阻尼行为方面，研究发现，室温下的阻尼性能主要受到位错和界面的影响。随着频率的增加，阻尼性能呈现出先下降后上升的趋势，这可能与不同频率下阻尼机制的转变有关。在低频范围内，位错的运动是主要的阻尼来源，而在高频范围内，位错滑移可能成为主导机制。此外，温度对阻尼性能的影响也较为显著，特别是在?140°C至300°C的温度范围内，三个主要阻尼峰的出现和变化反映了不同阻尼机制的激活。例如，P1峰可能与位错运动和点缺陷相互作用有关，而P2峰则可能与ε-马氏体向γ-奥氏体的逆转变有关，P3峰则可能与堆垛层错和孪晶边界的行为相关。

通过进一步分析，研究还发现，SFE对阻尼性能有重要影响。较低的SFE有利于堆垛层错的形成，从而增加阻尼来源的数量和多样性。在Co5合金中，由于其较高的SFE和较低的晶格畸变，表现出较好的综合力学性能和阻尼能力。然而，当Co含量增加时，SFE降低，堆垛层错和孪晶边界等结构缺陷的数量也随之增加，这在一定程度上提高了阻尼性能。同时，晶格畸变对阻尼性能的影响也不容忽视，较高的晶格畸变通常会导致更高的强度，但也可能对位错运动产生阻碍，从而影响阻尼性能。

研究还指出，热处理对合金的阻尼性能有显著影响。均质化和淬火处理能够减少缺陷密度，提高位错的运动性，从而增强阻尼性能。在淬火处理后，Co20合金的阻尼性能显著提升，这可能是由于其较高的SFE和更优的微观结构。此外，研究还发现，随着温度的升高，合金的阻尼性能会受到多种因素的影响，包括相变、结构缺陷和位错运动等。在高温条件下，堆垛层错和界面滑动可能成为主要的阻尼来源，而低温条件下则可能以位错和点缺陷的相互作用为主。

综上所述，本文通过系统研究FeMnCrCo高熵合金的成分设计和热处理工艺，揭示了其在不同条件下阻尼性能的变化规律及其背后的物理机制。研究结果表明，通过合理调控Co含量和热处理工艺，可以有效增强合金的阻尼性能，同时保持其良好的力学性能。这些发现为高熵合金在实际应用中的性能优化提供了理论依据和技术支持。