共晶高熵合金中异常的强度-延展性关系

《Materials Science and Engineering: A》：Anomalous strength-ductility relationship in eutectic high-entropy alloys

EHEAs表现出与理论强度-延展性贸易-off关系异常偏离的现象，其相界作为弱点引发局部开裂导致早期断裂，阻碍了应变硬化潜力的充分释放。通过控制相界结构可有效提升机械性能至理论极限。

　　

张飞宝|李晓涛|王志勤|张哲锋

中国科学院金属研究所沈阳国家材料科学实验室，沈阳，110016，中国

摘要

共晶高熵合金（EHEAs）因其同时具备高熵合金（HEAs）和共晶合金的优点而受到了广泛关注。本研究表明，EHEAs在强度和延展性之间的理论权衡关系上表现出异常偏差。尽管相界有助于增强EHEAs的强度，但微观结构分析显示，相界成为局部裂纹的薄弱点，导致在应变硬化潜力尚未完全耗尽之前就发生过早断裂，从而限制了EHEAs达到其理论力学性能。为了延长应变硬化持续时间直至应变硬化潜力完全耗尽，我们提出了控制相界以改善其力学性能的可行策略，使其接近理论极限。

引言

高熵合金（HEAs）由于具有独特的性质（高熵、扩散缓慢、晶格畸变严重以及混合效应），展现了传统合金无法实现的优异性能组合，例如高强度和高硬度、出色的耐腐蚀性和耐磨性[1]。然而，大量实验研究表明，与传统合金一样，单相HEAs也存在典型的强度-延展性权衡关系[2]，即强度的增加会导致延展性的降低，反之亦然。近年来，人们有意在HEAs中引入异质微观结构以平衡或促进强度和延展性[3]。HEAs中的异质结构可分为几种类型：局部化学成分波动[4]、中/短程有序结构[5,6]、梯度晶粒结构[7]、梯度纳米孪晶结构[8]、双峰结构[9]、层状结构[10]和多相结构[11]。异质结构HEAs中强度和延展性同时提高的内在机制源于异质界面结构[[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]]。在塑性变形过程中，这些异质界面处会产生应变梯度，促进几何必要位错（GNDs）的积累，以适应应变不匹配，从而产生异质变形诱导（HDI）强化效应，显著增强HEAs的加工硬化能力，最终实现强度和延展性的同时提升[12]。

作为引入异质界面结构的一种策略，与传统研究主要关注单相固溶体结构不同，共晶高熵合金（EHEAs）将共晶合金的概念引入HEAs中以平衡强度和延展性。理论上，EHEAs的强度-延展性协同效应通过以下方式实现：(i) 最优相比例，(ii) 精细的层间距，以及 (iii) 适当的软/硬相分布，这表明其力学性能具有显著的可调性。然而，EHEAs的变形机制尚未形成相对成熟的体系，仍需进一步阐明。

为了阐明金属材料的强度-延展性关系，李等人[13]提出了一种定量权衡模型，用于单相金属系统，其中强度和延展性在相同合金中呈反比且相互排斥，其本构表达式为：

${\sigma }_b={\sigma }_0+\frac{E_c}{H_c}\frac{1}{{\epsilon }_U?{\epsilon }_0}$其中${\sigma }_0$代表位错滑动的固有阻力，$H_c$表示激活滑移面的临界间距，$E_c$作为界面强度的度量指标，${\epsilon }_0$对应于弹性应变。同时，${\sigma }_b$表示抗拉强度，${\epsilon }_U$表示均匀伸长率。对于许多单相金属和合金，强度-延展性数据通常分布在单一的反比曲线上，与强度-延展性权衡模型[13]一致。尽管该权衡模型对于具有复杂微观结构的多相金属材料的适用性需要进一步研究，但其边界仍为评估EHEAs等非传统材料提供了重要的参考标准。在本研究中，对EHEAs进行了拉伸测试，以检验其强度-延展性关系是否符合该权衡模型。令人惊讶的是，我们的实验结果表明，尽管成分相同但加工历史不同的EHEAs表现出分散的分布组合，明显违反了权衡关系。这引发了关键的科学问题：EHEAs的强度-延展性关系是否偏离了传统的权衡模型？或者这是否表明存在尚未发现的潜在机制？本研究报告了这些发现，并提供了全面的分析和讨论。

材料与方法

Al₁₉Fe₂₀Co₂₀Ni₄₁ EHEA（Al19 EHEA）是在高纯度氩气氛围中通过真空感应电磁悬浮熔炼（IELM）制备的。使用纯度超过99.9%的金属片材作为原材料。将锭材重新熔化三次以提高化学均匀性，从而获得IELM合金。随后，将IELM合金置于高纯度氩气氛围中进行定向凝固（DS）。当液态合金在约1500°C达到热稳态后，

结果与讨论

本研究中的Al19合金表现出显著的机械性能差异（见图1(a)和(c)）。与IELM合金相比，DS合金具有更优异的机械性能，这主要归因于其更精细的层状结构以及不存在块状B2相。然而，Al19合金的强度-延展性关系严重偏离了权衡趋势（见图2(a)）。Shi等人[14,15]制备的Al₁₉Fe₂₀Co₂₀Ni₄₁ EHEA也观察到了类似的现象，尽管

结论

总之，所研究的EHEAs的拉伸性能表现出较大的分散性，显著偏离了强度和延展性之间的权衡关系。这种偏差源于在流动应力曲线与应变硬化率曲线交叉之前就发生的过早断裂，导致断裂表面平坦且几乎没有颈缩现象。从机制上讲，这种过早失效是由于界面强度不足所致

CRediT作者贡献声明

张飞宝：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，方法论，研究，正式分析，数据管理，概念化。李晓涛：撰写 – 审稿与编辑，可视化，正式分析。王志勤：撰写 – 审稿与编辑，可视化，正式分析。张哲锋：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：张哲锋报告称获得了中国国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（NSFC）（编号：52321001、52130002和52401122）、中国科学院战略性先导科技专项（编号：XDB1420302）以及金属研究所杰出学者职位（编号：E451A804）的财政支持。