导读：本文研究了NiCoCrFe高熵合金（HEA）在准静态（1×10^-4 -1×10^-1 / s）和动态（1,000–6,000 / s）张力下的变形响应行为。高熵合金在动态拉伸下可获得高强度和延展性的良好组合。在1×10^-4时，屈服强度和真实极限抗拉强度从217 MPa增加到830 MPa，在6,000 / s时从440 MPa增加到1,000 MPa以上。此外，工程断裂应变在很大的应变率范围内保持60％–85％。

太原理工大学乔珺威教授团队联合北京科技大学将相关研究成果以题“Simultaneous enhancement of strength and ductility in a NiCoCrFe high-entropy alloy upon dynamic tension: Micromechanism and constitutive modeling”发表在国际塑性顶级期刊International Journal of Plasticity 上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.08.013

本文研究了NiCoCrFe高熵合金（HEA）在准静态和动态张力下的变形行为。EBSD和TEM表征被用来仔细研究位错和孪生亚结构，以揭示准静态和动态变形下的微观机制。基于微观结构特征和演化，对变形行为的应变率依赖性进行了建模和讨论。当前的NiCoCrFe HEA具有动态拉伸下的高强度（σy=440 MPa，σ（uts,T）> 1,000 MPa）和大伸长率（85％），远远优于准静态1（σy=217 MPa,σ（uts,T）=830 MPa，工程延伸率60％–70％

强度和延展性的增强源自（1）显着的应变率敏感性（SRS），这主要归因于存在短程有序/簇（SRO / SRC）以及位错的声子拖曳效应，以及（2）由于在高应变速率张力下动态形成纳米级孪晶，因此具有非凡的加工硬化能力。基于热活化机理，可以很好地模拟合金的屈服强度对温度和应变率的依赖性。此外，考虑将纳米级孪晶边界作为形核和适应位错的局部位置，修改了位错密度演化模型，然后将其引入泰勒硬化模型中，以准确捕获当前NiCoCrFe HEA的硬化行为。因此，动应力作用下的显着加工硬化能力主要归因于位错恢复率低和孪生诱发的位错产生。

图1 （a）用于再结晶NiCoCrFe HEA的具有随机取向和等轴晶粒的EBSD IPFx图。（b）以面积分数表示的粒度分布。

屈服强度的显著应变率敏感性类似于FCC复杂浓缩固溶体合金，如不锈钢和一些TWIP钢，高于（m s ?<0.01和m d ?<0.1）的FCC纯金属和稀固溶体。通过将EBSD测量得到的变形孪晶的分数与TEM测量得到的双束中的孪生分数相结合，估算出的孪晶体积分。5±0.6）

图2 NiCoCrFe HEA在准静态和动态张力下的力学行为。（a）在不同应变率下的工程应力-应变曲线，并且在动态张力（1,000-6,000 / s）下所有曲线都不完整。详细的解释可以在实验部分找到。（b）在各种应变速率下，NiCoCrFe HEA的真实应力-应变曲线。（c）在准静态和动态张力下测量NiCoCrFe HEA的最终伸长率，（c1）和（c2）分别是两种准静态拉伸样品在拉伸前后的代表性尺寸变化。（d）中总结了屈服强度，工程极限抗拉强度和工程断裂应变，而在（e）中显示了在动态张力下断裂应变的相应增加。

图3 （a）对数流应力随对数应变率的变化显示了当前NiCoCrFe HEA在各种真实应变下的两个不同区域。分别对应于不同应变率灵敏度（SRS）的两个独立区域，即准静态SRS（m s）和动态SRS（m d）。（b）在各种应变速率下，NiCoCrFe HEA的应变硬化成分。当达到某个值（？0.2）时，在动态张力下的应变硬化成分急剧上升并跨越准静态成分。（彩色线）。

TEM研究表明，变形行为主要由滑动特性和孪晶形成所解释。在准静态张力下，滑移机制从平面滑移变为波浪滑移，并随着应变的增加而形成位错单元，并出现次生孪晶。相比之下，位错和断层（平面滑移）的纠缠，伴随着大量的纳米级孪晶的形成，在动态张力下主导了变形机制。

图4 TEM显微照片显示在（a–b）约50％真实应变下的准静态（1×10 -4 / s）张力和（c–d）动态（6,000 / s）的张力下，代表性位错结构的不同特征真实应变下的张力分别约为57％。（b）和（d）分别是（a）和（c）的矩形区域中的相应高倍率图像。DC，AT和SF分别指示位错单元，退火孪晶和堆垛层错。

图5 EBSD IPFx和BC图显示了在（a–b）约50％的真实应变下准静态（1×10 -4 / s）张力和（c–d）动态（6,000 / s）时NiCoCrFe合金的代表性微观结构）分别在约57％的真实应变下的张力。黄线表示BC地图中的双边界（b和d）。

图6 TEM显微照片显示，在约50％的真实应变下，（a–c）准静态（1×10 -4 / s）张力和（d–f）动态（6,000 / s）时，代表性孪生结构的不同特征真实应变下的张力分别约为57％。（a）和（d）是明场（BF）图像，（b）和（e）是对应的暗场（DF）图像，以及（c）和（f）双胞胎的HRTEM图像。沿<011>轴获取的相应SAED模式显示出两组斑点，表明形成了孪晶

基于位错密度和孪晶体积分数演化，建立了应变速率和温度相关的本构模型，以描述当前HEA在较宽的应变速率范围内的变形行为。该模型与实验结果吻合良好，并预测了在准静态和动态张力下位错恢复因子和位错密度对应变的演化。

图7（a）根据当前本构模型，实验流动应力和相应的拟合曲线分别为1×10 -4 / s和6,000 / s。（b）比较模型在不同应变率下的实验和预测的真实应力-应变关系。实验性断裂应变取自样品的事后测量

这些材料在使用中经常会遇到极端条件，例如低温和高应变率。除了先前的报道，NiCoCrFe HEA在低温下表现出优异的强度-延展性组合之外，我们还发现NiCoCrFe HEA在高应变率（大于1,000 / s）下具有强度和延展性的同时增强。所有这些都归因于两个原因：强烈的应变速率敏感性和非凡的应变硬化能力。强大的应变速率敏感性源自短距离有序/簇（SRO / SRC）的存在，从而为位错运动提供了强大的短距离障碍，以及在高应变速率下固有的声子拖曳效应。非凡的应变硬化源于在动态拉伸变形过程中动态形成的纳米级孪晶，而孪晶边界可以充当位错存储的有效界面，从而刺激惊人的应变硬化和延展性。

总之，本研究结果不仅提供了对具有广泛应变速率下变形的SRO / SRC的中低SFE HEA的基本微观机制的基本理解，而且对于开发在极端条件下具有出色性能的新型合金也具有重要意义。