導(dǎo)讀：對(duì)于結(jié)構(gòu)材料或者在應(yīng)用過(guò)程中承受載荷的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，更高的強(qiáng)度和塑性可以提升使用安全性。調(diào)控層錯(cuò)能（SFE）可以改變晶體缺陷的種類和密度，從而影響合金的力學(xué)性能。這一策略可以同步提升材料的強(qiáng)度和塑性，也被廣泛應(yīng)用在面心立方（FCC）多主元合金中。基于等原子CoCrNi合金，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種具有極低層錯(cuò)能的非等原子比Co38Cr38Ni24合金。區(qū)別于傳統(tǒng)的以位錯(cuò)滑移為主的變形機(jī)制，該合金的強(qiáng)化和變形受層錯(cuò)（SF）主導(dǎo)。該合金的強(qiáng)度隨晶粒尺寸增加而單調(diào)下降，與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致；但塑性在中等晶粒尺寸處達(dá)到峰值，這與大多數(shù)單相FCC金屬的單調(diào)遞增趨勢(shì)相矛盾。主要源于該合金隨晶粒粗化從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂。

強(qiáng)度與塑性之間的相互制約一直是金屬材料設(shè)計(jì)中的重要挑戰(zhàn)。這種困境本質(zhì)上源于晶體材料中占主導(dǎo)地位的位錯(cuò)機(jī)制：位錯(cuò)的增殖和運(yùn)動(dòng)提供了塑性，而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙提供了強(qiáng)度。然而，通過(guò)降低SFE，可以激活孿生和相變等機(jī)制，顯著提高加工硬化率。這一策略在同步提升材料的強(qiáng)度和塑性方面具有巨大潛力，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在FCC多主元合金（MPEAs）中。

SFE在FCC的變形機(jī)制中起著關(guān)鍵作用。除了應(yīng)變速率和溫度等外部因素，可以通過(guò)改變化學(xué)成分來(lái)調(diào)整SFE。等原子比的CoCrNi合金相較于等原子比的二元、三元和四元CoCrFeMnNi合金子系統(tǒng)，表現(xiàn)出更優(yōu)越的綜合力學(xué)性能。通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)改變化學(xué)成分來(lái)調(diào)整CoCrNi合金體系的SFE。添加Cr和Co會(huì)降低SFE，從而破壞FCC固溶體的穩(wěn)定性，進(jìn)而促進(jìn)馬氏體相變。與等原子比的CoCrNi合金相比，具有極低SFE的非等原子比Co36Cr41Ni23合金在細(xì)晶范圍展現(xiàn)出更優(yōu)異的強(qiáng)度與塑性組合。

然而，相變機(jī)制并不總是對(duì)塑性有利。在相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）合金中，新相通常是馬氏體。其具有強(qiáng)度高，滑移系少的特征。一方面，馬氏體的形成增加了相界面的密度，阻礙了位錯(cuò)滑移并提高了加工硬化率。另一方面，作為脆性相的馬氏體可能會(huì)使塑性惡化。單相FCC金屬或合金的塑性通常會(huì)隨著晶粒尺寸的增加而逐步提高。然而，部分TRIP合金的塑性隨著晶粒尺寸的增加會(huì)出現(xiàn)異常降低。目前的研究將這種異常現(xiàn)象主要?dú)w因于馬氏體相變的激活，以及馬氏體含量的增加。

研究表明，當(dāng)六方密排（HCP）相的比例超過(guò)約30%時(shí)，CoCrNiMo合金會(huì)發(fā)生脆性斷裂，而均勻延伸率的最大值在HCP相含量低于10%時(shí)實(shí)現(xiàn)。與293K相比，F(xiàn)e49.5Mn30Co10Cr10C0.5合金在77K下拉伸實(shí)驗(yàn)后，HCP相的含量明顯增加，超過(guò)了60%。然而，均勻延伸率卻幾乎保持不變。這一現(xiàn)象也存在于Fe50Mn30Co10Cr10合金。HCP相含量與塑性之間的相關(guān)性仍然存在疑問(wèn)。因此，探索低SFE合金在晶粒尺寸增加時(shí)塑性異常下降的根本原因至關(guān)重要。

在這項(xiàng)研究中，作者設(shè)計(jì)了一種非等原子比Co38Cr38Ni24合金，該合金具有極低SFE，并制備了不同晶粒尺寸的試樣。研究其力學(xué)行為和變形組織。本研究旨在揭示該合金的變形機(jī)制，并探討晶粒尺寸增加導(dǎo)致的塑性下降以及斷裂行為轉(zhuǎn)變的機(jī)制。相關(guān)成果以“Effect of grain size on the deformation mechanism and fracture behavior of a non-equiatomic CoCrNi alloy with low stacking fault energy”為題發(fā)表在International Journal of Plasticity期刊上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104129

圖1. 不同晶粒尺寸完全再結(jié)晶的Co38Cr38Ni24合金取向分布圖.

圖2. 不同晶粒尺寸Co38Cr38Ni24合金的力學(xué)性能.

圖3. 工程應(yīng)變0.1下的ECC圖像.

圖4. 頸縮應(yīng)變下的TEM圖像.

圖5. 頸縮應(yīng)變下的EBSD相圖.

圖6. 不同晶粒尺寸Co38Cr38Ni24合金的斷口形貌.

圖7. 垂直于拉伸斷裂面的ECC圖像.

圖8. (a) CG試樣斷口附近的SEM圖像；(b，c) 晶界疊加取向分布圖；(b1，c1) 相圖疊加質(zhì)量圖；(b2，c2) Schmid因子圖疊加質(zhì)量圖.

圖9. (a) 晶粒尺寸對(duì)FCC單相多主元合金均勻延伸率的影響；(b) 不同晶粒尺寸Co38Cr38Ni24合金斷裂機(jī)制的示意圖.

具有極低層錯(cuò)能的Co38Cr38Ni24合金被設(shè)計(jì)為模型合金，用于研究亞穩(wěn)合金（會(huì)發(fā)生顯著變形誘導(dǎo)馬氏體相變）在晶粒尺寸增加時(shí)塑性異常下降的原因。通過(guò)軋制和退火制備了晶粒尺寸為0.61~6.4 μm的試樣。研究了晶粒尺寸對(duì)力學(xué)性能和變形組織的影響。主要結(jié)論如下：

• 由于層錯(cuò)能很低，位錯(cuò)在分解后很難進(jìn)一步束集，從而導(dǎo)致SFs很容易被保留下來(lái)，而并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)全位錯(cuò)滑移證據(jù)。因此，SFs主導(dǎo)了塑性變形。隨著應(yīng)變量的增加，馬氏體相變逐漸被激活，開(kāi)始發(fā)揮作用。

• 在超細(xì)晶和細(xì)晶范圍內(nèi)，塑性隨著晶粒尺寸的增加而上升。當(dāng)晶粒尺寸大于3μm時(shí)，塑性急劇下降。斷口形貌由韌窩轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理刻面，斷裂機(jī)制由微孔聚集轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理。

• 在超細(xì)晶和細(xì)晶試樣中，由于優(yōu)異的晶粒協(xié)調(diào)變形能力，裂紋萌生被抑制。小的裂紋尺寸和大的擴(kuò)展阻力進(jìn)一步限制了裂紋擴(kuò)展，發(fā)生了韌性斷裂，提升了塑性。

• 弱協(xié)調(diào)變形能力和晶界附近大量脆性HCP相共同作用，促進(jìn)了粗晶試樣的裂紋萌生。大尺寸裂紋對(duì)鄰近組織施加較高的剪切應(yīng)力，進(jìn)一步加速裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致粗晶試樣出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂，使塑性大幅惡化。

本文來(lái)自公眾號(hào)“材料科學(xué)與工程”，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。