《Acta Materialia》温度对等原子中熵合金力学性能和变形机制影响
编辑推荐：本文建立了制备单相等原子CrFeNi中熵合金的热机械加工路线，晶粒尺寸在10-160μm范围内。研究了77K-873K的压缩和拉伸力学性能，揭示其变形机理。本文验证了现有理论的准确性，为获得不同晶粒尺寸的中熵合金提供了制备方法，并为后续中熵合金性能预测提出了思路。
中熵和高熵合金（MEAs和HEAs）打破了溶质和溶剂的传统概念，经常以接近等原子比例由多种主元素组成。目前主要研究单相固溶体的稳定性、扩散行为、弹性性能、力学性能和变形机理等方面。迄今为止，对于CrFeNi的内在物理知识和机械性能量化知之甚少。
德国波鸿鲁尔大学的研究人员研究了等原子CrFeNi中熵合金。阐明等原子CrFeNi合金的晶格强度及其对温度的依赖关系，探讨了不同强化机制对强度的贡献。相关论文以题为“Effects of temperature on mechanical properties and deformation mechanisms of the equiatomic CrFeNi medium-entropy alloy”发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.11.012
本研究使用真空感应熔炼制备Cr33.3Fe33.3Ni33.3等原子合金。铸成直径45mm，高160mm的圆柱，直径车削加工至40mm，在真空下进行1473K×48h均匀化处理，在室温下进行冷加工锻造，直径从40mm减小至16.8mm（真应变=1.8）。将试样在1273K-1473K范围内进行15-60min退火，最终得到6种不同的晶粒尺寸。
研究发现在1273K和更高温度退火后，CrFeNi MEA为单相FCC，而在较低温度退火时，合金为两相组织(主相FCC，次相BCC)。再结晶组织均为弱织构，其应力场未表现出任何拉压不对称。研究了293K时的晶界强化，发现这与Hall-Petch关系一致，单相FCC CrFeNi多晶的单轴强度为80±8 MPa。假设晶界强化与温度无关，晶格强度随温度在223-873K之间的变化与基于Varvenne等人建立的固溶强化模型的预测是符合的。
图1 FCC CrFeNi合金在(a,c) 1473K和(b,d) 1273K退火1h后沿轴向再结晶的谱图和显微图
图2 不同晶粒尺寸(a) 10μm、(b) 55μm和(c) 160μm的再结晶CrFeNi合金的代表性组织
图3 Hall-Petch效应Ky与(a)纯金属、二元固溶体、具有FCC结构的MEAs和HEAs的稳定层错能γisf和(b) CrMnFeCoNi、CrFeCoNi、CrCoNi和CrFeNi的不稳定层错能γusf间的关系
图4 (a)在平均晶粒尺寸d=160μm的情况下，在77K和293K进行拉伸时的真应力-真塑性应变曲线；(b)在与(a)相同的温度下，加工硬化率dσ/dε作为真实应力的函数
图5 (a)、(b)和(c)分别为真塑性应变1.9%、4.5%和39.1%时的微观组织
图6 (a)、(b)和(c)分别为真塑性应变16.0%、17.4%和31.9%时的微观组织
在最大晶粒尺寸(d=160μm)的CrFeNi MEA中，塑性早期阶段主要受堆积在晶界上的位错的滑移控制。随着变形的进行，在77K(1.9%-4.5%)和293K(16.0%-17.4%)的真应变下，纳米孪晶形成了附加变形机制。表明在160μm晶粒尺寸的CrFeNi合金中，变形孪晶的临界切应力几乎与温度无关，值为165±5 MPa。随着温度的升高，可以通过动态Hall-Petch效应(随着变形的增加，平均晶粒尺寸动态减小)提高加工硬化速率，从而延迟缩颈，提高延性。
77K时，动态Hall-Petch效应可以有效地减小位错平均自由程，提高加工硬化速率。相比之下，在293K时几乎不存在，因为位错平均自由程与位错胞的尺寸基本一致，而位错胞的平均自由程则远小于位错胞的平均间距。因此，位错不能有效地与孪晶界相互作用，这不会引起293K时的动态Hall-Petch强化。（文：破风）