Prog. Mater. Sci.综述:面心立方结构高熵合金的机械性能

【引言】

高熵合金，又称多主元合金，2004年首次被报道后受到广泛关注和研究。最早的高熵合金是CrMnFeCoNi等原子比的“Cantor”合金，发展至今则包含了范围更广的金属和非金属体系。利用高混合熵的概念发展稳定的多组元合金还有待深入研究，但目前来看，以CrCoNi基合金为代表的几类高熵合金均具备优异的力学性能：在较大塑性应变（~0.5）和较低的温度下，都能保持连续的加工硬化率；由于位错受到较高摩擦阻力，体系倾向于形成孪晶，产生极高的断裂韧性，在动力学加载下阻止剪切带的形成；Cantor合金启动绝热剪切带形成的临界剪切应变值约为7，远高于传统金属和合金材料。此外，多主元环境导致的缓慢扩散速率，使得高熵合金具备优异的中温表现。

【成果简介】

近日，美国加州大学圣迭戈分校（UCSD）的Marc A. Meyers教授在Progress in Materials Science上发表了题为“Mechanical properties of high-entropy alloys with emphasis on face-centered cubic alloys”的综述文章。综述重点关注CrCoNi基为代表的面心立方高熵合金，对其重要的力学性质展开详细阐述。凭借这些优异的力学性能，结合易于通过传统方式制备的特点，在不久的将来，高熵合金有望作为结构材料得到大规模应用。

【图文导读】

图1：CrMnFeCoNi高熵合金组成元素的成分分布图。

图2：常用结构材料的断裂韧性-屈服强度关系图（Ashby图）。

图3：高熵合金的熵效应。

(a)等摩尔元素的数量对体系混合熵的影响，五种元素时对应的混合熵为61R；

(b)按构型熵对合金体系进行分类的情况。

图4：堆垛层错能随局域化学序的变化情况。

(a)等摩尔CrCoNi合金在四种特殊状态下的本征堆垛层错能，范围从随机固溶体到高度化学有序态；

(b)四组体系第一、二、三最近邻壳层的本征堆垛层错能γ_isf和局域原子对非比例总数∆δ的关系；

(c)四组体系第一、二、三最近邻壳层的非本征堆垛层错能γ_esf和局域原子对非比例总数∆δ的关系。

图5：由不同物质状态制备高熵合金的合成方法。

图6：晶间区域（晶界和三接合点）处的体积分数随晶粒尺寸的变化，晶粒尺寸由超细晶（100nm-1μm）到纳米晶（<100nm）。

图7：不同合金体系的应变强化率随真实应变的函数关系比较。

图8：高熵合金的应变强化和加工硬化性能。

(a)钢材的极限强度-韧性图，可见高熵钢具有极高的性能；

(b)不同高熵合金的拉伸应力-应变响应，可见TRIP高熵合金具有优异性能，外侧的显微图片表示随加工硬化逐渐增强，发生fcc-hcp相转变。

图9：高熵合金的断裂特性。

(a)J_R(a)抗断裂曲线描述了J_IC在裂纹生长的最初阶段的位置，即曲线和钝化线（blunting line）的交点；

(b)应对裂纹扩展的本征和非本征强化机制的示意图。

图10：高熵合金的疲劳断裂行为。

(a)金属中疲劳断裂生长速率da/dN随外加应力强度DK的变化关系曲线；

(b)293K和198K温度下负载比R为1时，CrMnFeCoNi合金的疲劳裂纹生长行为。

图11：不同形变机制的Weertman–Ashby蠕变分布图。

图12：CrMnFeCoNi高熵合金的激光冲击实验。

(a)上表面可见冲击坑的样品的SEM图像；

(b)冲击坑内超细晶表面区域的放大图；

(c)接近表面区域处横截面TEM图，可见位错、堆垛层错和纳米尺度的孪晶；

(d)激光冲击后的样品的X射线计算机断层扫描图像；

(e)碎裂平面处附近的放大图，可见粗糙的断裂表面，说明是韧性断裂。

【小结】

高熵合金具有无限多种类型，而今的研究可以说还停留在表面阶段。因此，在评价其力学性能及其他性能时应避免一般化。高熵合金的复杂程度控制着力学性能，结构及组元通过经典的强化和弱化机制决定其力学性能。因此，本篇综述首要聚焦于基于过渡金属元素Cr、Co和Ni的中熵合金和高熵合金，这类合金被报道的性质总的来说往往是最优异的。

特别地，许多基于CrCoNi系的高熵合金具有优异的力学性能，表现出巨大的结构材料应用潜力。这些力学性能一部分是取决于多种变形机制（如固溶强化、位错滑移、孪生和合金相转变）影响的。合金的种类则由最初仅包含固溶体扩展到双相材料。因此，力学响应不仅是单相面心立方合金的特性，还包含多相引起的复杂度，在某些情况下还有应力诱导的马氏体转变。强度、韧性和机械性能与材料的结构、激活机制相联系，作者强调：面心立方和体心立方高熵合金具有不同的应变速率敏感度和热软化响应。文章的最后，作者列举了10条基于CrCoNi系的高熵合金的最主要力学性质。

文献链接：Mechanical properties of high-entropy alloys with emphasis on face-centered cubic alloys（Prog. Mater. Sci.,2018,DOI: 10.1016/j.pmatsci.2018.12.003）

本文由材料人金属材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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