Acta Mater.：AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金高强度和高延展性的微观解析

liunian 7年前 (2017-08-04) 12432浏览

【引言】

单相高熵合金(HEAs)因其独特的原子结构与性能而受到广泛的关注，然而HEAs无法同时具备高屈服强度与高延展性，因而在工业应用中受到一定的制约。最近Lu等人提出了共晶高熵合金(EHEAs)的概念，并制备了AlCoCrFeNi2.1 双相高熵合金，可适用于各种工程应用，那么它是如何获得如此优异的性能呢，本文则对EHEAs优异性能进行了微观层面的探究。

【成果简介】

近日，南京理工大学赵永好教授(通讯作者)在Acta Mater.上发表了一篇题为“Microstructural origins of high strength and high ductility in an AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy”的文章。在该文章中研究人员采用传统铸造工艺制备面心立方(FCC)(L12)/体心立方(BCC)(B2)调制层状结构AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金，获得极限拉伸强度(1351 MPa)和延展性(15.4%)，并采用TEM、APT等手段分析了优良强度 - 延展性和变形机理的微观起源。

【图文解读】

表一 AlCoCrFeNi2.1成分

phase A1   Co   Cr   Fe   Ni
FCC(L12) 6.43±0.02 21.14±0.02 24.36±0.02 24.16±0.02 23.93 ± 0.02
BCC(B2) 38.56±0.01 10.12± 0.01 4.12 ± 0.01 9.20 ± 0.01 37.98 ± 0.01
Precipitates 6.0 ± 0.3 3.4 ± 0.4 79. 1 ± 0.3 9.2 ± 0.4 2.4 ± 0.2

图一 式样相组成分析


(a) XRD图谱；

(b) EBSD图；青色表示FCC(L12)相，黄色表示BCC(B2)相，黑色表示相界，红色表示大角度晶界。

图二 拉伸应力-应变曲线


极限拉伸应力为1100±50MPa，延展性为18±2%，转换为真应力为1351 MPa，延展性为15.4%。

图三 式样SAEDs图


(a) 式样层状结构明场像；FCC(L12)相晶带轴为[110]，BCC(B2)相晶带轴为[001]；

(b) L12相SAEDs图；

(c) B2相SAEDs图；

(d) 区域A放大图，显示出平行位错阵列与堆垛层错；

(e) 区域B放大图，显示出滑移痕迹。

图四 式样部分区域明场TEM图


(a) 低倍率TEM图；

(b) 区域C高倍率TEM图，可以看到两条相交的{111}[110]滑移线；插图为L12相SAED图；

(c-d) 区域D放大图，可以看到晶带轴为[001]的BCC(B2)相的纳米沉淀相；插图为B2相SAED图。

图五 形变后BCC(B2)相的明场TEM图


(a) TEM图显示[001]晶带轴上两个相交滑移带，插图为B2相的SAED图；

(b) TEM图可以看出箭头形位错。

图六 纳米沉淀相APT表征


(a) 样品3-D原子图；60%Cr等浓度表面显示富Cr纳米沉淀相轮廓；

(b) BCC相3-D原子图，含有大量纳米沉淀相；

(c) 富Cr纳米沉淀相尺寸分布。

图七 纳米沉淀相浓度分布


(a) 富Cr纳米沉淀相1-D浓度曲线；

(b) 相界1-D浓度曲线。

图八 特殊纳米沉淀相分析(富含Fe、Cr，缺乏Al、Ni、Co)


(a) 3-D原子图；

(b) 1-D浓度分布。

图九 合金HETEM表征


(a) FCC(L12)相包含三个堆垛层错；

(b) 堆垛层错放大图；

(c) 相界与堆垛层错的HRTEM图；

(d) BCC(B2)相中纳米沉淀相的HRTEM图；插图为傅里叶变换。

图十 BCC相断裂模式SEM图


(a) 裂纹在BCC(B2)相的一端成核，然后通过具有径向条纹(红色实线标记)的鱼骨形裂纹，传播到另一端;

(b) 裂纹在BCC(B2)和FCC(L12)相界处成核，沿与相界呈45°方向扩展。

【小结】

本研究使用铸造技术制备AlCoCrFeNi2.1 EHEA。拉伸试验表明，EHEA具有高强度和高延展性。通过XRD，EBSD，SEM，TEM和APT以及HRTEM进一步分析形变前后的AlCoCrFeNi2.1 EHEAs。 主要结论如下：

1.显微结构分析显示，AlCoCrFeNi2.1 EHEA具有3-D常规FCC(L12)/ BCC(B2)复合结构，即具有半数的2-D细层状半共格界面FCC(L12)/ BCC(B2)结构 。在B2相中存在高密度的富Cr纳米沉淀相。

2.形变后分析揭示了具有高密度平行位错阵列和致密长直位错滑移迹线{111}以及FCC(L12)相中大量堆垛层错的平面滑移，有助于AlCoCrFeNi2.1的高应变硬化和延展性。此外，在BCC(B2)相中发现位于两个{110}滑移带上的富Cr纳米沉淀相钉扎的高密度位错，有利于高强度。此外，固溶强化和半共格边界通过钉扎位错也有利于高强度。

3.断口分析显示FCC(L12)相为韧性断裂和BCC(B2)相为脆性断裂。在BCC(B2)相中发现了几种断裂模式，包括具有径向条纹的鱼骨形断裂和45°剪切断裂，并且在FCC(L12)相中发现了通过颈缩成一条清晰线条的完美塑性变形。在拉伸过程中，裂纹首先通过应力集中和铸造收缩腔在相边界上成核，然后在BCC(B2)相中扩展，导致BCC(B2)相断裂，FCC(L12)相最终通过负载进一步断裂。

4.AlCoCrFeNi2.1 EHEA的高强度和高延展性起因于拉伸变形期间韧性FCC(L12)相和脆性BCC(B2)相之间的复合背应力。

文献链接：Microstructural origins of high strength and high ductility in an AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy(Acta Mater., 18 July, 2017, DOI:10.1016/j.actamat.2017.07.041)

本文由材料人编辑部金属学术组liunian投稿，材料牛编辑整理。

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