MAT SCI ENG A：向应用跨越——冷轧Al0.25CoCrFeNi高熵合金

【引言】

多组元高熵合金(HEA)，以其简单的晶体结构以及高熵效应所带来的各种影响吸引了众多研究目光。近些年的研究发现高熵合金相比于传统材料，具有极佳的强度硬度、低/高温强度、热稳定性以及耐腐蚀。耐氧化性等。目前多数研究主要集中于铸态HEA，而铸态合金易于产生缩孔等缺陷。面对这一情况，强塑性变形辅以热处理则最有希望解决这些问题。

【成果简介】

日前，太原理工大学乔珺威教授（通讯作者）在Materials Science and Engineering: A上发表了一篇名为"Strengthening in Al_0.25CoCrFeNi high-entropy alloys by cold rolling"的文章。研究冷轧对Al_0.25CoCrFeNi高熵合金在不同形变量下的晶体结构、微观组织、机械性能的影响。其研究结果如下：(1)随变形量的增加，变形机制由位错滑移转为剪切带滑移。(2)大量变形下材料内部为均质变形和剪切断裂模式。(3)冷轧使材料表面由无序组织转变为戈斯织构，并且随形变量超过50%时也出现了黄铜型织构。(4)冷轧形成了大量密排的位错胞，提高了硬度、屈服强度、抗拉极限。其中冷轧量为90%的合金有着绝佳的抗拉强度和硬度，其值分别为1479Mpa和401.3HV。

【图文导读】

图1：不同轧制量下的XRD图谱与晶格参数

(a) XRD图谱表明经轧制后，其晶体结构并未发生变化。I(111)与I(220)的变化则表明了有新的组织形成；

(b) 右图表明材料的晶格参数随着冷轧量的增加而增加。

图2：Al_0.25CoCrFeNi的组织演化过程

(a) 铸态枝晶组织；

(b) 轧制量30%；

(c) 轧制量70%；

(d) 轧制量90%；

插图表示随着轧制量的增加，晶粒沿着轧制方向发生了严重的变形；在冷轧量超过90%时，电解抛光后的试样可以观察到剪切带。

图3：拉伸试样的工程应力-应变曲线

(a) 铸态Al_0.25CoCrFeNi有着极好的延展性，断裂形变量可达60%，但屈服强度仅有126MPa；

(b) 以延展性下降为代价，冷轧极大地增加了屈服强度和断裂强度。其中平衡性最好的一组结果为形变量30%时，屈服强度691MPa，抗拉强度736MPa伸长12.5%；

图4：拉伸试样断口的宏观观察与微观组织

(a-c) 铸态以及50%，90%轧制量时的断口宏观形貌；表明断裂为剪切断裂模式，在一定角度上存在着最大切应力平面优先断裂；

(d-f) 铸态以及50%，90%轧制量时断口表面俯视图；表明经过轧制，孔隙率降低，缩孔减少，断裂模式为塑性断裂中典型的韧窝断裂；

(d’; d’’; e’; f’)d、e、f经局部放大后的图片。

图5：Al_0.25CoCrFeNi的EBSD图

(a) 铸态枝晶组织；

(b) 轧制量30%；

(c) 轧制量50%；

图中晶粒取向用不同颜色标定；横向为轧制方向，纵向为截面方向。铸态的等轴晶随轧制量增加而被逐渐拉长，同时取向也发生很大程度的变化。表明了冷轧能够改变晶粒取向、拉长晶粒尺寸并晶粒内部形成滑移带。

图6：Al_0.25CoCrFeNi的反极图

(a) 铸态；

(b) 30%冷轧量；

(c) 50%冷轧量；

(d) 70%冷轧量。

冷轧量为30%时出现戈斯织构，表明了滑移沿{111}晶面族<110>方向滑移；冷轧量超过70%时，<110>平行于轧制方向；在50%轧制量时，{111}<110>的交滑移逐渐失去支配地位，取而代之的是剪切滑移带。

图7：Al_0.25CoCrFeNi的透射电镜照片

(a) 90%冷轧量下试样的TEM照片，其中A区域为FCC相结构；可以看到冷轧形成了大量密排的位错胞；

(b) 将A区域放大后的衍射花样。超点阵斑表明其有着稳定的FCC结构，这也印证了先前的XRD分析结果。

【小结】

高熵合金从提出概念至今已经过去了十多年，研究发现高熵合金所具有超越传统材料几倍甚至几十倍的优异性能。研究的同时也需要对高熵合金进行产业化，商业化探索，使其能够更好地服务于社会。此研究将Al_0.25CoCrFeNi进行了不同程度的冷轧，探究了其内部的变形机制，织构演化过程，为高熵合金走向产业化道路奠定了坚实的一步。

文献链接：Strengthening in Al_0.25CoCrFeNi high-entropy alloys by cold rolling (MAT SCI ENG A,2017,DOI: 10.1016/j.msea.2017.09.089)

本文由材料人编辑部郭勇编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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