太原理工《Materials Design》：新型中熵合金，突破强度和塑性矛盾！

强韧性材料的开发一直是研究人员的重要目标之一，其在航空航天、航海造船、汽车等行业均具有重要作用。现有的主要挑战是同时提高延展性与强度，中/高熵合金（MEAs/HEA）也存在相同的问题。现阶段在增强MEAs/HEA的性能方面已经做出了巨大的努力，发现适当添加非金属元素（如Si，C和B）通常在改善微观结构和机械性能方面起重要作用，可以达到优异的机械性能。而关于添加Si对MEAs/HEA性能影响的研究主要集中在耐磨性、抗氧化性、硬度、磁性以及压缩机械性能上，对含Si的MEAs/HEA拉伸性能的研究很少，Si对性能的影响机制尚不明确。

太原理工大学等单位的研究人员通过在CrCoNiMEA中添加Si，设计了新颖的CrCoNiSix（x=0.1，0.2，0.3）MEA。与未添加Si的MEA相比，添加0.3%Si的MEA强度和延展性获得大幅度提升，抗拉强度从790MPa增加至960MPa，均匀伸长率由58%增加至92%。相关论文以题为“Novel Si-added CrCoNi medium entropy alloys achieving the breakthrough of strength-ductility trade-off”发表在Materials and Design。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109202

在Ar气氛下采用电弧熔炼制备CrCoNi和CrCoNiSix（x=0.1、0.2、0.3；分别由Si_0.1，Si_0.2，Si_0.3表示）。浇铸成板状，完全冷却后进行1100℃×5h的均匀化处理，再进行冷轧（压下率70%），最后进行900℃×1h的再结晶退火（水淬）。

研究发现CrCoNiSix（x=0.1，0.2，0.3）MEA均发生完全再结晶，Si含量的增加促进了试样加热时再结晶速率，并加速了晶粒的生长。与CoCrNi MEA相比，CrCoNiSix（x=0.1、0.2、0.3）MEA的抗拉强度分别从790MPa增加到856MPa，926MPa和960MPa，均匀伸长率分别为75%、86%和92%。位错和孪晶是CrCoNi MEA在室温和准静态载荷下的主要塑性变形机制。添加Si的MEA表现出良好的位错结构和形变孪晶，并且在室温下会发生形变诱导的FCC-HCP相变。

图1 CrCoNiSix（x=0、0.1、0.2、0.3）MEA的初始微观结构：(a-d) EBSD IPFx图；(e-h) EBSD取向角分布；(i) 晶粒尺寸比较；(j) CrCoNiSi_0.3 MEA的TEM显微照片

图2 CrCoNiSix（x=0、0.1、0.2、0.3）MEA的机械性能

图3 CrCoNi和CrCoNiSi_0.3 MEA在工程应变为30%（真实应变为26%）和断裂应变（CrCoNi和CrCoNiSi_0.3的真实应变分别为45.7%和65%）时的EBSD-IQ与KAM图

图4 TEM显微照片显示了在断裂应变下（a-c）CrCoNi，（d-f）CrCoNiSi_0.2和（g-i）CrCoNiSi_0.3MEA的不同特性（真实应变值分别为45.7%，62%和65%）

图5 （a,b）HRTEM图像显示断裂后CrCoNiSi_0.2和CrCoNiSi_0.3MEA的形变孪晶（DT）和HCP结构；（c,e）对应的SAED模式，（d,f）对应的IFFT图像

图6 在30%工程应变（26%真实应变）下（a-c）CrCoNiSi_0.2和（d-f）CrCoNiSi_0.3MEA的TEM显微照片

总的来说，本研究通过向CrCoNi MEA中添加Si，开发了具有优异机械性能的新型CrCoNiSix（x=0.1，0.2，0.3）MEA。Si的添加会产生较低的堆垛层错能（SFE），并诱发FCC-HCP结构的形变诱导相变，在塑性变形过程中大大改善合金的加工硬化。本文阐明了Si对MEA强度和延展性的影响，设计出强度延展性更高的合金，扩大了MEA可能的应用范围。（文：破风）