中科院《Acta Materialia》：首次制备超强共晶高熵合金丝材

导读

通过精心设计的多级重拉和热处理工艺，在AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金(EHEA)丝材中引入了梯度异质层状结构，实现了优异的强度-塑性协同效应。该结构在拉伸过程中促进了几何必要位错(GND)的径向梯度分布，从而极大地提高了EHEA丝材的力学性能。在低温条件下， B2相中首次观察到密集的交叉滑移，交叉滑移的激活提供了足够的延性，同时产生了明显的动态霍尔-佩奇效应，成为最有效的变形机制，有助于达到前所未有的低温拉伸性能。该研究为开发能够在各种极端环境下安全使用的新型先进金属丝开辟了一条创新路线。

在各种工程应用中，如大型斜拉桥、重型吊索、海洋平台索具等都需要具有高强度和延展性的金属丝，其中珠光体钢丝是最成熟和应用最广泛的材料。然而，高强度通常伴随着低塑性，即强度-塑性权衡困境。此外，金属丝的使用环境也更加复杂和极端，这对传统金属丝提出了很大的挑战。因此，开发在各种恶劣环境下安全服役的高强度金属丝迫在眉睫。

近年来，高熵合金(HEAs)的应用呈不断上升的趋势，其独特的设计理念赋予了这些合金各种意想不到的力学性能，使其成为新型的工程应用候选材料。此外，异质材料通常具有优越的力学性能。由于拉伸工艺条件可以有效地影响钢丝径向应变分布，拉伸钢丝的力学性能与变形孪晶带来的晶粒细化效应等均与异质组织有关。因此，为了在极端工程应用中获得前所未有的力学性能，通过适当调整拉伸和后续热处理工艺，引入与共晶高熵合金EHEA内部层状结构相结合的梯度结构成为一种有效方法。

近期，中科院力学所戴兰宏研究团队精心设计了多级重拉和热处理工艺，首次成功制备了具有超高强度的梯度异质层状结构的AlCoCrFeNi2.1 EHEA丝材，并详细研究和讨论了结构特征、拉伸性能和变形机理之间的关系。研究成果以题为“Ultra-strong heavy-drawn eutectic high entropy alloy wire” 发表于期刊《Acta Materialia》。直径为500 μm的EHEA丝材在室温(293 K)和低温(77 K)下都具有良好的拉伸性能。该工作对设计超高强度EHEA丝材及其他高级金属丝有一定的指导意义。

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结果表明，梯度异质层状结构表现为梯度分布的硬B2片层嵌在软FCC片层基质中，且越靠近表面，B2片层的不连续性越强。FCC和B2片层均由超细宽度的柱状晶组成，其可诱导晶界硬化。此外，K-S型取向关系、半相干相边界和特殊的织构组合等结构特征可形成较强的界面结合，从而有助于提高力学性能。

EHEA丝材具有多种结构特征，在293 K时表现出优越的拉伸性能，其屈服强度约1.57 GPa, 抗拉强度约1.85 GPa，伸长率达12.1%。最重要的是，EHEA丝材在77 K时甚至可以获得前所未有的拉伸性能，其屈服强度为2.25 GPa, 抗拉强度为2.52 GPa，伸长率为14.3%。

在塑性变形时，梯度异质层状结构使FCC相和B2相的GND密度呈明显的梯度分布，从“软”表面区域逐渐减小到“硬”中心区域，从而产生明显的应变梯度强化效应，延缓了拉伸过程中的颈缩失稳。在293 K时， B2相表现出位错诱导塑性，而FCC表现出位错诱导塑性和SF诱导塑性。77 K时，在B2相沿{112}滑移面首次观察到密集的交叉滑移，而在FCC相沿多个{111}面层错广泛激活，形成异常的三维SF-DT结构网络。这种多重机制是EHEA丝材具有前所未有的低温性能的最重要因素。

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