导读：具有面心立方(FCC)结构的复杂成分合金(CCAs)具有优异的力学性能，为结构材料合金设计引入了成分空间的扩展。通过配置各种过渡元素可以形成单一的固溶相，而掺杂少量其他元素通常也会形成脆性的金属间化合物。本文通过对单一FCC (CoNi)100-xMox合金的系统研究表明，广泛的耐火元素Mo可以在保持固溶体结构的同时提高强度和延展性。原子尺寸大于三维过渡元素的Mo的加入会导致FCC晶格出现严重的晶格畸变，并导致Mo原子富集的晶界偏析。此外，增加Mo含量可有效降低层错能(SFE)。随着Mo含量的增加，晶格畸变的增加增强了合金的固溶强化。此外，随着SFE的降低和晶界偏析对位错部位的稳定，这种提高的固溶强化增加了晶界强化，达到了1 GPa的屈服强度。此外，随着Mo的增加，SFE的降低导致位错子结构的转变和变形孪晶的细化，从而增强了应变硬化能力，从而提高了~ 1.3 GPa的抗拉强度和~ 50%的塑性。耐火元素Mo的这种综合和协同作用使单一FCC固溶体的复杂成分合金克服了强度和延性的权衡。

与传统的稀释合金相比，由多主元素组成的CCAs作为一种新的合金设计策略，在过去的二十年中受到了广泛的关注，因为合金系统的多种组合具有显着的机械性能。在这一领域，研究最广泛的合金是单一FCC固溶相，以CrMnFeCoNi、CrFeCoNi、CrCoNi和VCoNi为代表。由于与其他强化机制相比，稀FCC合金中固溶强化的作用较小，因此通常认为，在不整合高密度缺陷(如位错或析出物)的情况下，在单一FCC结构合金中实现高屈服强度是具有挑战性的。然而，与这一观点相反，FCC结构CCAs (FCC CCAs)表现出相当高的屈服强度，这仅仅源于两种强化贡献，即固溶强化和晶界强化。此外，FCC CCAs中观察到的各种变形机制，如纳米孪晶、相变诱发塑性和滑移带细化，有助于提高应变硬化能力，从而提高均匀延性。

本研究旨在揭示Mo对单相FCC CCAs微观组织演变的综合作用及其强化机制。基于热力学计算，选择(CoNi)100-xMox体系中不同Mo含量(8、15和18 at%)的三种合金作为模型合金，因为预测即使Mo含量高达18 at%，也具有宽的单FCC相区。为了避免无序六方紧堆积(HCP)和有序μ相等其他相的形成，在不同的退火条件下，实验证实了这些合金中单一FCC固溶体的区域。随后，在一组不同晶粒尺寸的全fcc结构样品上量化了固溶和晶界强化。结果表明，随着Mo含量的增加，合金的强度和塑性同时提高。特别是，(CoNi)82Mo18合金在完全再结晶(即位错密度的贡献很小)的情况下，表现出高达~ 1 GPa的超高屈服强度，~ 1.3 GPa的抗拉强度和~ 50%的塑性。Mo对固溶强化的潜在影响是通过从头计算得出的固溶强化与晶格畸变之间的相关性来揭示的。有趣的是，通过增加Mo含量可以实现显著的晶界强化，这与Mo的固溶强化、晶界偏析以及通过从头计算和实验测量量化的SFE变化有关。除了强化作用外，变形结构的转变也有助于提高应变硬化率，从而提高抗拉强度和均匀塑性。这项工作表明，采用Mo的策略有可能在更大程度上改善CCAs的力学性能。

韩国高丽大学Seok Su Sohn教授团队的这项研究成果以题为“Compositive role of refractory element Mo in improving strength and ductility of face-centered-cubic complex concentrated alloys”发表在国际期刊Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645423003610

图1所示。(CoNi)100-xMox合金体系(x = 0-30 at%)在0-1600℃温度范围内的平衡伪二元相图。组成范围从(CoNi)92Mo8到(CoNi)82Mo18以蓝色突出显示。

图2所示。通过XRD分析(a) Mo8、(b) Mo15、(c) Mo18合金在不同温度下退火1h后的物相。(d)计算所得合金及等原子CoNi二元合金的FCC相晶格参数。

图3所示。(a1-a4) Mo8、(b1-b4) Mo15和(c1-c4) Mo18合金在不同温度下退火1h后的BSE图像。FCC固溶体单相和FCC- hcp双相试样分别用红点和蓝虚线框表示。

图5所示。FCC单相Mo18合金的APT元素分布分析 

图6所示。(CoNi)100-xMox合金的力学性能。(a) Mo8、(b) Mo15、(c) Mo18合金室温下的工程拉伸应力-应变曲线。(d)屈服应力(以0.2%偏移量测量)与合金平均晶粒尺寸平方根倒数的关系。(e)晶粒尺寸相近的退火合金的应变硬化速率曲线。(f)与其他CCAs和TWIP钢相比，屈服强度与拉伸伸长率的概述。

图8所示。晶粒尺寸相近的Mo8、Mo15和Mo18合金在30%的工程应变下变形。(a) Mo8， (b) Mo15， (c) Mo18合金的STEM图像。相应的DF图像和sadp(插图)显示了(d) Mo8、(e) Mo15和(f) Mo18合金的孪晶亚结构。

图11所示。Mo8、Mo15和Mo18合金在2%工程应变下变形的位错分析和SFE测量。

本文系统地研究了(CoNi)100-xMox合金(Mo8、Mo15和Mo18)的显微组织演变和力学性能。通过理论计算和实验测量，研究了Mo对相稳定性和力学性能的潜在影响，得出以下结论:

在(CoNi)100-xMox体系中，单个FCC固溶体在% Mo下保持高达18。随着Mo含量的增加，Mo15和Mo18合金形成单一FCC固溶体所需的最低温度分别提高到1000℃和1050℃。在较低温度下，两种合金中的单一FCC固溶体分解为无序FCC和HCP固溶体和有序D019，而Mo8合金在700℃时仍保持在FCC固溶体中。

对于晶粒尺寸在~ 2 ~ 60 μm范围内的单一FCC固溶体Mo8、Mo15和Mo18合金，从Mo8到Mo18合金的强度和延展性同时提高。特别是，Mo18合金表现出优异的屈服强度为~ 1 GPa，抗拉强度为~ 1.3 GPa，塑性为~ 50%，尽管处于再结晶的单一FCC固溶体状态。

通过从头计算电荷转移和均方根位移，揭示了Mo对(CoNi)100-xMox体系中晶格畸变的增加起着有效的作用。Mo的加入使Mo18合金的固溶强度从59 MPa提高到229 MPa。结果表明，即使在含难熔元素Mo的(CoNi)100-xMox合金中，晶格畸变和固溶强化也具有良好的相关性。

与其他由3D过渡金属组成的FCC CCAs相比，(CoNi)100-xMox合金的屈服强度对晶粒细化具有较强的敏感性。在这些合金中观察到的霍尔-佩奇系数的增强可以归因于与Mo添加相关的几个因素的协同作用，如提高固溶强化，降低SFE和Mo在晶界的偏析。然而，由于难以区分这些因素的个体贡献，需要进一步的系统研究来彻底阐明它们的作用。

在拉伸变形过程中，较高的Mo含量导致较高的应变硬化率，从而提高了强度和塑性。随着Mo含量的增加，SFE的降低导致位错亚结构由DC向HDDW转变，孪晶亚结构细化。位错和孪晶亚结构的转变都显著地阻碍了位错滑动，并产生了更高的应变硬化能力。