通过晶界显著提高FeMnCoCr高熵合金的高温强度和塑性：探索多种变形机制

   高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)又称多主元素合金(multi-principal element alloys, MPEA)，因其具有无限的元素组合可能性、优异的性能和广阔的研究潜力而受到广泛关注。然而，金属材料的强度与延性通常是相互排斥的，强度与延性之间的权衡一直是研究的主要方向。通过调整热机械加工(TMP)，可以调整合金的组织，使其具有间隙固溶强化、晶粒细化强化、析出相强化、相变强化等。晶界特性和错取向角对晶界滑动(GBS)行为有显著影响，与低Σ重合位置点阵(CSL)晶界相比，随机大角度晶界(RHAGBs)更容易吸收位错并驱动晶界滑移。前人在研究HEA的高温变形和断裂时，很少考虑晶界结构转变的影响。来自中国Northeastern University的Z.Y. You等人研究了晶界工程(GBE)对亚稳态Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金(HEA)高温性能的影响。对Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀进行了热机械加工(TMP)，其中然后在1173 K下热处理10min的试样作为基材(BM)。将BM样品以10%的压下率冷轧，然后在1023 K下在Ar气氛中退火10min，然后水冷作为GBE样品。图1给出了BM和GBE样品在1073K下的反极图(IPF)图、相图、晶界特征分布(GBCD)和真应力-应变曲线。如图所示，大部分ε-马氏体位于远离孪晶界的位置，而少量ε-马氏体则在孪晶界形成。BM样品中低?的CSL晶界所占比例约为48.0%。而GBE中低?晶界主要集中在细晶内，约占66.4%，TMP提高了GBE样品中奥氏体相的稳定性。图1d显示了BM和GBE样品在不同应变率下的流动应力曲线，发现与传统的BM样品加工方法相比，经过GBE优化后的HEA具有显著的高温力学性能。

  为了研究该合金的高温变形机制，在应变速率为10^-3 s^-1的条件下获得了断裂的BM和GBE样品的透射电子显微镜图像，如图2所示。考虑到没有形变孪晶，位错的发生、移动和相互作用(图2(a))被认为是所研究合金高温变形行为的基本机制。在RHAGB的界面上阻止了广泛的位错滑移，导致沿晶界的局部应力集中(图2(a，b))，然而，当位错运动遇到孪晶界时，情况发生了变化，因为在螺位错和边界两侧的滑移面完全均衡的条件下，部分位错可以通过退火孪晶(AT)边界，促进位错的迁移(图2(h))。图3显示了BM和GBE样品在1073K变形后断口附近表面的形态特征。观察到在小孔洞附近很少观察到低-ΣCSL晶界的存在，低-ΣCSL晶界比例的增加显著延缓了空洞的形核和生长，使高温应变在合金中的分布更加均匀，有效地延缓了断裂的发生。综上所述，通过探索GBE对TRIP-DP-HEA块体的微观结构、高温性能和强化机理的影响，提供了一个新的研究视角。这为提高具有室温TRIP效应但在高温下TRIP效应受到显著抑制的合金的高温性能提供了一条新的途径。

图1 BM和GBE样品的：(a, b)反极图(IPF)图、(a', b')相图、(a'', b'')晶界微观结构、(a"', b"')RHAGB 网络图；(c) BM (a, a') 和 GBE (b, b')样品的X射线衍射图案；(d) 1073 K下应变速率为10^-2 s ^-1 和 10^-3 s ^-1时的真应力-应变曲线。

图2样品在1073 K、10^-3 s ^-1应变速率下拉伸断裂后断裂表面附近区域的TEM显微图：(a–d) BM，(e, f, h) GBE，(g) 沿[011]γ轴的HRTEM 图像显示了SF；变形期间微观结构演变的示意图：（i）RHAGB，（j）AT边界。

图3 SEM显微图拉伸断裂后的表面孔隙的分布：(a, c)BM，(b, d) GBE，在1073 K下应变率：(a, b) 10^-2 s ^-1，(c, d)10^-3 s ^-1。(e, f) EBSD中BC +晶界的显微结构图说明了空腔与晶界特征之间的关系。 (g h, i, j, K) BM和GBE试样拉伸断口的SEM形貌。