Science China Materials：CrCoNi中熵合金优异的高应变速率拉伸力学性能

【引言】

拥有优异的力学强度和拉伸塑性对于结构合金是非常重要的。然而，合金在高应变速率或者低温下变形时通常拉伸塑性非常有限。本文首次展示了块体CrCoNi中熵合金在高应变速率和低温下拥有极其优异的综合拉伸力学性能，是迄今为止已报道的工程材料中最优异的低温动态力学性能。

【成果简介】

最近，澳大利亚悉尼大学廖晓舟教授（共同通讯作者）课题组的高鹏博士（共同第一作者），西北工业大学李玉龙教授（共同通讯作者）课题组的马自豪（共同第一作者）和中南大学的宋旼教授（共同通讯作者）等人在国际顶级期刊SCIENCE CHINA Materials上发表了题为Exceptional high-strain-rate tensile mechanical properties in a CrCoNi medium-entropy alloy的文章。在这项工作中，作者使用了特制的带有冷却装置的电磁霍普金森拉伸设备首次实现了低温下的高速拉伸试验。拉伸速率达到了2000/s，温度范围从室温至液氮温度（77 K）。结果显示此材料在高速应变和低温条件下的拉伸强度和塑性均明显优于室温和常速下的性能。高应变速率和低温均极大地提升变形孪晶的密度。相比于温度，高应变速率对孪晶密度的影响更大。剧烈的变形孪生行为和晶粒细化对优异的高速低温力学性能起到了至关重要的作用。

【图文导读】

图 1. 块状CrCoNi合金的力学性能和加工硬化率。（a）在准静态和高速应变，室温和低温下的真实（实线）和工程（虚线）拉伸应力应变曲线。真实应力应变曲线仅展示均匀变形部分的曲线。（b）试样的加工硬化率曲线。（c）此合金和其它工程材料的力学性能对比。红色符号来自本文，绿色符号代表拉伸数据，黑色符号代表压缩数据。CrCoNi合金展示了迄今为止已报道的工程材料中最优异的低温动态力学性能。

图 2. 试样在塑性变形前后的显微组织。（a）展示了一个在2000 s^-1 和 200 K拉断的试样和取样位置，Area 1 距离断口~2 mm，Area 2取自断口。（b）拉伸前的显微组织。（c）、（d）和（e）分别展示（a）中1区准静态拉伸、 2000 s^-1室温拉伸、和2000 s^-1 200 K拉伸后的显微组织。（f）、（g）和（h）分别展示（a）中2区准静态室温拉伸、 2000 s^-1室温拉伸、和2000 s^-1 200 K拉伸后的显微组织。（f）中显示的拉伸方向也适用于（g）和（h）。变形后的样品均展示强烈的 {111} 和 {001} 织构，而 {001} 织构 是由孪晶变形引入的。高速应变下断口区域晶粒明显细化。

图 3. 用Transmission Kikuchi Diffraction 观察的断口区域典型的显微组织结构 (此处仅显示出图d和e) – 高密度的变形孪晶以及黑色箭头标示的在孪晶区域出现的再结晶晶粒。（d）在2000 s^-1 和200 K，白色方框的显微组织在（e）展示。（e）中的黑色箭头指向了再结晶晶粒。

图 4. 在200 K下高速拉断的试样的透射电镜显微组织。（a）断口附近的纳米晶粒。红色箭头指向的虚线区域的晶粒很可能是具有极低位错密度的再结晶晶粒。（b）展示了（a）中的蓝色方框区域。（c）展示了（b）中红色方框区域内的纳米孪晶和层错。

图 5. 塑性变形后的试样的（几何必须）位错密度分布图。（a）准静态室温，（b）2000 s^-1 室温，（c）2000 s^-1 和200 K。图中颜色代表了位错密度。绿色线区域在孪晶界附近，说明孪晶界对于阻挡位错运动、增加位错密度因而提升加工硬化率和塑性起到了致关重要的作用。

图 6. 在准静态和高速拉伸下的显微组织演化示意图。（a）塑性变形之前的等轴晶显微组织。（b）在早期准静态变形下形成的孪晶组织。（c）在后期准静态变形下形成的二次孪晶组织。（d）在早期高速率变形下形成的孪晶组织和亚晶粒。（e）在后期高速率变形下出现二次孪晶和再结晶晶粒。黑色线代表了普通高角度晶界。红色线代表了孪晶界。灰色线代表了小角度晶界。蓝色和黄色区域分别代表了初次和二次孪晶。

【总结】

本文展示了CrCoNi中熵合金在高应变速率和低温下优异的综合拉伸力学性能。本研究使用特制的带冷却装置的电磁霍普金森拉杆装置得到了在2000 s^-1和77 K下完整的拉伸力学曲线。结果表明合金具有超高的拉伸真应力 (σ_UTS,T) 1.8 GPa和在σ_UTS,T的拉伸真应变~54%。合金优异的力学性能主要归因于大量变形孪晶的启动。高应变速率和低温都促使了孪晶的形成。变形孪晶、滑移、动态再结晶引起的晶粒细化促进了加工硬化，从而增加了拉伸塑性。这项工作的合作者还包括中南大学顾及博士和倪颂教授，西北工业大学索涛教授和悉尼大学Yiu-Wing Mai教授。

文章链接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-021-1798-6

本文由作者投稿。