以馬氏體/孿晶相變?yōu)橹饕�變形機(jī)制的FeMnCoCr系亞穩(wěn)高熵合金以其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，倍受結(jié)構(gòu)材料研究領(lǐng)域的關(guān)注。該類亞穩(wěn)高熵合金體系在變形過程中通過孿生/相變誘導(dǎo)塑性增強(qiáng)，位錯(cuò)?孿生/相變的交替進(jìn)行及馬氏體相中大量納米變形孿晶引起的動(dòng)態(tài)霍爾佩奇效應(yīng)協(xié)同作用使其表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性、高強(qiáng)度和高加工硬化率，復(fù)雜的相變機(jī)制和多尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)的交互作用克服了強(qiáng)度?塑性的權(quán)衡問題。在氫能儲(chǔ)運(yùn)、吸能保護(hù)和深空深海等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。

      以馬氏體/孿晶相變?yōu)橹饕�變形機(jī)制的FeMnCoCr系亞穩(wěn)高熵合金以其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，倍受結(jié)構(gòu)材料研究領(lǐng)域的關(guān)注。該類亞穩(wěn)高熵合金體系在變形過程中通過孿生/相變誘導(dǎo)塑性增強(qiáng)，位錯(cuò)?孿生/相變的交替進(jìn)行及馬氏體相中大量納米變形孿晶引起的動(dòng)態(tài)霍爾佩奇效應(yīng)協(xié)同作用使其表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性、高強(qiáng)度和高加工硬化率，復(fù)雜的相變機(jī)制和多尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)的交互作用克服了強(qiáng)度?塑性的權(quán)衡問題。在氫能儲(chǔ)運(yùn)、吸能保護(hù)和深空深海等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。

     Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀亞穩(wěn)高熵合金由密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)的ε相和面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)的γ相組成，經(jīng)過軋制變形和后續(xù)熱處理加工，在室溫下具有出色的屈服強(qiáng)度(340 MPa)、極限抗拉強(qiáng)度(850 MPa)和伸長(zhǎng)率(60%)。相較于其他高熵合金體系，優(yōu)異的加工硬化能力和持久穩(wěn)定的應(yīng)變配分使其受到結(jié)構(gòu)材料研究領(lǐng)域的關(guān)注。

      微合金化/置換元素是提升傳統(tǒng)合金鋼綜合力學(xué)性能的常用手段，這種非金屬元素置換/間隙強(qiáng)化方法也可以應(yīng)用于FeMnCoCr系高熵合金中。了解各類非金屬元素在MHEAs晶格中的占位競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系和間隙作用機(jī)制能有效指導(dǎo)合金成分設(shè)計(jì)。C/N由于更容易進(jìn)入HEAs的晶界和晶粒內(nèi)部（八面體和四面體間隙位置），逐漸發(fā)展形成C/N摻雜的間隙強(qiáng)化高熵合金(interstitial HEA, iHEAs)。如圖1所示，Shen等人從物理基礎(chǔ)、顯微結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和變形機(jī)制四個(gè)方面，對(duì)C/N摻雜iHEAs實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑性協(xié)同提高的機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)與概述。

圖 1 高熵合金中的 C和N摻雜：一種實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用的途徑

       在高熵合金中，B的間隙占位與C/N不同。B元素與主元原子之間的強(qiáng)電子相互作用能使晶界內(nèi)聚力增強(qiáng)。增強(qiáng)的晶界內(nèi)聚力能夠抑制變形過程中晶間裂紋的產(chǎn)生，有利于通過延遲斷裂行為進(jìn)而提高塑性。這種“晶界工程(Grain Boundary Engineer, GBE)”也被應(yīng)用于亞穩(wěn)高熵合金。如圖2所示，在Fe₄₀Mn₄₀Cr₁₀Co₁₀中引入30 ppm(wt. %)B實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的協(xié)同提升。從動(dòng)力學(xué)角度，B摻雜產(chǎn)生的晶界阻力效應(yīng)降低了界面移動(dòng)速度。從能量角度，根據(jù)吉布斯吸附等壓位理論，B修飾晶界降低了界面能，阻礙了競(jìng)爭(zhēng)性晶粒粗化行為。在變形機(jī)制上，晶界內(nèi)聚能的增加能有效的提升強(qiáng)度。

圖 2 摻硼的超強(qiáng)韌性高熵合金

        在Fe_49.97Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀B_0.03中，當(dāng)變形量為2%到8%時(shí)，主要的變形機(jī)制為γ相中的位錯(cuò)滑移；在25%的變形量下，馬氏體相變和γ相中的位錯(cuò)滑移并存；在35%變形量下，TRIP主導(dǎo)塑性變形；變形量達(dá)到50%后，塑性變形可以通過ε相內(nèi)的位錯(cuò)滑移得到進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。此外，F(xiàn)e₄₉Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀B₁中表征到大量ε相和堆垛層錯(cuò)，寬度為240~600 nm，相交差角為71.7°、71.2°和71.8°，接近理論值70.5°，Lomer-Cottrell鎖能夠穩(wěn)定堆垛層錯(cuò)，促進(jìn)ε片層形核生長(zhǎng)。在高變形量下(40%)，孿晶在ε相和兩個(gè)初始ε變體的交叉區(qū)域激活，還觀察到由Cr₂B顆粒導(dǎo)致局部應(yīng)力集中而形成的孿晶(56.2°)和孿晶(64°)，ε相中的位錯(cuò)和變形孿晶在連續(xù)應(yīng)變過程中承擔(dān)應(yīng)變配分。

圖 3 亞穩(wěn)態(tài)Fe₄₉Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀B₁間隙高熵合金變形亞結(jié)構(gòu)演化表征

      對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料，低溫環(huán)境是極其苛刻的服役條件。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)熱激活的過程，溫度越低，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度越慢，材料的彈性模量、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也隨之增加，當(dāng)溫度降低到位錯(cuò)滑移難以協(xié)調(diào)塑性變形時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致材料脆性斷裂。圖4匯總了FeMnCoCr系MHEAs室溫、低溫極限抗拉強(qiáng)度與延伸率變化。對(duì)于FeMnCoCr系MHEAs，低溫條件下層錯(cuò)能的降低導(dǎo)致塑性變形機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變，馬氏體相變和孿晶的聯(lián)合激活能降低位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的平均自由程，提高了應(yīng)變硬化能力，使其具有低溫服役潛力。

圖 4 亞穩(wěn)高熵合金室溫、低溫極限抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率變化

       低溫下還能通過摻雜B引入短程有序（SRO）提升性能，在Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀基體中引入可溶性硼形成內(nèi)部晶粒的彈性應(yīng)變場(chǎng)。如圖5所示，拉伸過程中形成了尖銳的平面滑移位錯(cuò)；沿[112]_FCC帶軸方向獲得的選區(qū)衍射圖案顯示在1/2{311}_FCC位置有附加反射，而沿[001]_FCC帶軸未觀察到超結(jié)構(gòu)衍射斑點(diǎn)，這證實(shí)了短程有序現(xiàn)象的存在。這種短程有序?qū)е赂飨虍愋跃Ц袷湛s，成為77 K下硼摻雜MHEAs的主要強(qiáng)化機(jī)制。

圖 5 用于低溫應(yīng)用的摻硼高熵合金的短程有序強(qiáng)化

       氫脆(hydrogen embrittlement，HE)是指氫分子擴(kuò)散到材料中引起裂紋萌生和斷裂的現(xiàn)象，其行為過程非常復(fù)雜，包括氫原子的氫遷移行為（氫溶解、氫擴(kuò)散和氫陷阱）、影響HE的因素（氫濃度、合金元素和顯微組織）和氫存在下的拉伸力學(xué)性能和微損傷HE機(jī)制。已有研究表明，不同于傳統(tǒng)合金中氫與缺陷之間的相互作用，臨氫環(huán)境會(huì)降低高熵合金的層錯(cuò)能并促進(jìn)了孿晶的形成，這些孿晶可以通過創(chuàng)造新的界面和減少位錯(cuò)的平均自由程來強(qiáng)化合金，從而提高抗氫脆性能。