导读：均质体心立方（BCC）固溶体和短程团簇（SRC）的形成使耐火多主元素合金能够达到令人难以置信的高屈服强度，但它们的使用受到其固有脆性的严重限制。本研究设计并制备了含SRC的Ti-V-Zr中等熵合金，并形成了多相非均相晶粒结构（HGS）。通过调整微观结构，可移动位错提供了变形能力，因为剪切带的形成被抑制了。Ti40Zr60-xVx 合金的强度和延展性通过增加V来实现。 Ti40Zr15V45合金在室温下具有1067 MPa的高屈服抗拉强度和7%的延展性，抗压强度为1793 MPa，优于其他结构均匀的BCC合金。按参数指标的相的热力学稳定性倾向于在晶尺度上形成非均质微观结构，通过改变相比来实现强度和延展性的双重增强。<001>不动位错在SRC结构中形成，并提供额外的加强。已经开发并验证了形成过程模型。已经建立并验证了形成过程的模型。

由于高温下的混合熵较大，多主元素合金 （MPEA） 可以阻止金属间化合物的产生，导致产生成分均匀的无序体中心立方 （BCC） 和面心立方 （FCC） 固溶体。混合的构型熵高于1.5R促进了具有大溶液强度的均质结构。在FCC结构中，主动滑移系统可以提供很大的变形能力，并且主要在最近几十年吸引研究。基于耐火元素（Hf、Zr、Ti、V 和 Cr 等）设计了通过形成 BCC 结构具有特别高屈服强度的耐火 MPEA。在NbTiVZr合金中形成了具有少量纳米析出物的单相BCC，该合金具有高压缩强度（>1000 MPa）。然而，低变形能力会阻止它们的使用。两相合金可以通过形成两个BCC，BCC和Laves或B2相来实现令人印象深刻的高强度，与室温下的FCC相比更脆。

在BCC多主元素合金（MPEAs）中形成的短程团簇（SRC）可以显着提高其强度。它们的形成得益于导致晶格张力的显着原子尺寸差异。根据关于SRC的理论和实验研究，可以提高BCC结构的稳定性，并且不可移动的位错可以显着增加MPEA的强度。尽管对 SRC 的研究非常引人入胜，但它们的创建和结构很少得到深入研究，对脆性失效的影响也缺乏研究。

脆性断裂是由 SRC 引起的大量应力集中引起的，密集且连续的纳米结构阻止了位错的移动性。漫长的退火过程可以增加延展性。BCC TiZrNbHf 由于位错的迁移率和倍增的改善而达到了 880 MPa 的屈服张力强度。由于它们的低能相边界和可控的微观结构产生原位复合材料，共晶结构增加了BCC MPEA的延展性。通过使用普通铸造技术在典型铸锭中产生超细凝固结构，其中一些可以达到高达 1200MPa 的抗拉强度。然而，大多数研究都集中在软相与硬相相结合，例如 FCC+BCC。

对异质晶粒结构（HGS）的研究表明，HGS可以促进位错的形成和多个滑移体系的运行，从而提高脆性材料的变形能力。Li通过精心设计的热机械加工在L12相引入了HGS，并实现了1.73 GPa的超高拉伸屈服应力。这种结构是提高纯BCC MPEA变形能力的理想解决方案。HGS的设计和准备通常基于3D打印，热处理和磁控溅射，仍然非常复杂。研究发现，通过将HGS与共晶结构相结合来提高BCC MPEA的延性很简单。

因此，哈尔滨工业大学陈瑞润教授团队对此进行了研究。在这项研究中，采用相形成原理设计纳米共晶结构和原位HGS的合金，以提高BCC MEAs的变形能力。还研究了它们的凝固过程。通过研究脆性BCC的失效过程，已经提供了强化力学。此外，还展示了SRC结构的发展及其对机械特性的影响。相关研究成果以题为“Dual enhancement in strength and ductility of Ti-V-Zr medium entropy alloy by fracture mode transformation via a heterogeneous structure”发表在International Journal of Plasticity上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641922002820

图 1 相分析，（a） 钛的 XRD 图谱40锆60-xVx具有相分离特性和（b）相应晶格常数的合金。

图 2 Ti40Zr60-xVx(x = 30、35、40 和 45 at.%） 合金的微观结构形貌，通过 SEM，（a， b） Ti40Zr30V30合金，（c，d）Ti40Zr25V35合金，（e，f） Ti40Zr20V40合金和（g，h）Ti40Zr15V45合金。

图 3 由配备EDS的EPMA制成Ti40Zr15V45合金中元素分布的映射。

图 4 钛中SRC的微观结构表征40V35锆25通过透射电镜的合金，（a）高炉-透射电镜图像，（b）HAADF图像和（c-d）相应的元素分布。Ti40Zr15V45合金的形态，（e）高炉透射电镜图像，相应的成分，和（f）SRC。（g）是用黄色方块标记的（e）中的相的界面，（h）是相应的SAED模式。

图 5 Ti40Zr60-xVx合金拉伸试验结果，(a)工程应力-应变曲线，(b)拉伸试验中获得的屈服强度(σy)、极限拉伸强度(σUTS)和延伸率(δ%)。

图 6 I区和II区硬度(a)Ti40Zr15V45合金的纳米压痕测试结果，沿高亮线的载荷与压头穿透深度曲线示意图;(b)Ti40Zr60-xVx合金的维氏硬度。

图 7 不同区域力学性能比较。(a)图中为Ti40Zr60-xVx合金的压缩强度与维氏硬度、σy和σUTS对1/3Hv的关系，以及相应的压缩性能。这些线是根据硬度和强度之间的三倍关系绘制的。Ti40Zr60-xVx合金断口附近的显微组织，(b)变形方向和剪切带的IPF-Y图像，(c)核平均取向差(KAM)和(d)图像质量(IQ)。

图 8 Ti40Zr15V45 合金断口附近的显微组织。利用BF-TEM观察I区(a)[001]和(b)[011]带轴位错。(b)图为位错反应的HRTEM。(c)不可移动位错地层。(d) II区相和可动位错界面。

总之，本文章系统研究了非均质结构断裂模式变换对Ti-V-Zr介质熵合金强度和延展性的双重提升。在这项工作中，将热力学参数和凝固过程结合到纳米HGS结构的设计中。说明了SRC的形成及其对Ti40Zr60-xVx (x = 30， 35， 40， 45 at.%）力学性能的影响。讨论了各种微观结构和相应的纳米硬度，并与Ti-Zr-V MPEA的力学性能进行了比较，研究了剪切带变形引起的具有凹坑的解理断裂面的形成。

HGS在Ti40Zr60-xVxMEAs通过混合熵和原子尺寸差异的竞争机制，分别有利于不同温度下的单相和多相结构。从晶粒内部到外部，依次形成具有不同力学性能的各种结构。

随着V含量的增加，共晶结构逐渐变粗，相干界面的形成提供了可移动位错的形成和团簇位置，提高了加工硬化能力。SRC的形貌从密集连续转变为精细分散。Ti40Zr15V45 的V含量最高的合金表现出更高的硬度和更好的延展性。

实现了Ti40Zr15V45 合金高强度-延展性平衡，其屈服强度为1067MPa，总伸长率为7.44%。抗压强度为1793 MPa，超过了组织均匀的合金，30%以上的抗压延展性表现出Ti40Zr15V45 优异的应变硬化和塑性变形性能。

解理面表面有凹坑的剪切带断裂是由位错反应引起的，这在SRC中也可以观察到。剪切带断裂的形成模型已经建立为不可移动位错，EBSD和TEM图像表明了变形方向。