《Scripta》：“孪生工程”助力高熵合金性能大幅提高！：《Scripta》：“孪生工程”助

原标题：《Scripta》：“孪生工程”助力高熵合金性能大幅提高！
导读：本文通过从TWIP钢领域借鉴变形孪晶概念，设计了一种CoCrFeMnNi高熵合金的热机械处理方法，以改善其机械性能。在77K下使用预应变将变形诱发的孪晶引入合金的微观结构中，然后通过在773K上进行退火来回收它，同时避免了再结晶。在此热处理后，通过在77K时的预应变产生的形变诱发孪晶得以保留，同时发生了位错的部分恢复。结果，大大改善了合金的室温机械性能，包括其应变硬化能力。
变形诱发孪晶（DTs）是阻碍位错的有力障碍。高锰孪晶诱导塑性（TWIP）钢中的持续形变孪晶使位错的平均自由程不断减小，从而使应变变硬并提高了延展性。此外，发现TWIP钢中的变形诱发孪晶在高达约898K的温度下具有热稳定性。基于DT的这种热稳定性，大约十年前提出了一条冶金路线以提高TWIP钢的屈服强度。它包括以下步骤：首先，在室温下施加预应变以生成变形诱发的孪晶。随后在773K进行退火，目的是通过静态恢复降低位错密度，同时由于DT的热稳定性高于位错而维持DT 。通过这种“孪生工程” ，实现了TWIP钢高屈服强度和均匀伸长率的良好组合。
材料工程领域的一个令人激动的发展是新型材料的问世，该材料包括高浓度的多个主要元素，被称为高熵合金（HEA）。它们开发于1970年代，但由于其卓越的机械特性而在最近的十年中脱颖而出。具体地说，面心立方（FCC）HEA在从低温到环境温度均表现出出色的机械性能。这些属性的基础机制与变形引起的孪生或相变相关。
在此，韩国浦项科技大学提出了一种进一步改善高熵合金拉伸性能的方法。首次将基于热机械路线（预应变和恢复）的策略转化为高熵合金。残余变形引起的孪晶使合金的屈服强度和极限拉伸强度分别增加到1,284MPa和1,297MPa ，并且在室温下具有相当大的应变硬化速率。这些优异的机械性能归因于在77K时的预应变形成的形变诱发孪晶，从而降低了位错的平均自由程。相关研究成果以题“TwinningEngineeringofaCoCrFeMnNiHigh-EntropyAlloy”发表在ScriptaMaterialia上。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113808

文章图片
经过特殊设计的热机械处理的等原子HEACo20Cr20Fe20Mn20Ni20在773K热处理期间，由在77K变形引入的变形诱发孪晶得以保留，而部分位错得以恢复。残余变形引起的孪晶使合金的屈服强度和极限拉伸强度分别增加到1,284MPa和1,297MPa ，并且在室温下具有相当大的应变硬化速率。

文章图片
图1（a）在室温和77K下的工程应力-应变曲线。（b）在77K下预应变的试样的真实应力-真实应变曲线。应变硬化率（SHR）随真实应变的相应变化以红色显示。垂直虚线表示低温预应变的选定值和SHR的伴随水平。
合金的延展性也得到改善，因为残余变形引起的孪晶起到提高位错积累的作用。然而，由于相当大的位错密度在恢复热处理后仍然存在，因此获得的拉伸伸长率增加是适度的，这限制了合金的应变硬化能力。

文章图片
图2 。 EBSDKAM图和恢复热处理之前和之后预应变试样的相应分布图：（ac）P20和P20+HT ，（df）P35和P35+HT ，以及（gi）P50和P50+HT 。

文章图片
图3 。（a）退火，（b）P20+HT ，（c）P35+HT和（d）P50+HT合金的EBSD图像质量图。（ad）中的黑线和红线分别表示晶界（GB）和双晶界（TB）。

文章图片
图4 。（a）工程和（b）退火后的P20+HT ， P35+HT和P50+HT合金在室温下的真实应力-应变曲线。（c）（b）中曲线的并置沿横坐标偏移了77K时的预应变。（d）SHR是具有不同热力学历史的合金样品的真实应力的函数。（d）中的黑色实线对应于Considère标准。

文章图片
图5所示。室温屈服强度与现有和先前报道的CoCrFeMnNi合金晶粒尺寸的关系。 CG和FG分别代表粗粒和细粒。
【《Scripta》：“孪生工程”助力高熵合金性能大幅提高！】综上所述，本文针对特殊高熵合金Co20Cr20Fe20Mn20Ni20开发的两步热机械处理策略可以进一步微调以提高性能。我们还希望该处理概念将适用于更广泛的HEA 。