导读: 传统合金和多组分合金经常在延展性上丧失，通过复杂的热机械过程在强度和延性之间取得平衡。因此，有必要探索一种简单有效的方法来同时获得高强度和延性。本文提出了一种超快退火-深冷处理-回火(UHDCT)方法，以显著改善Fe50Mn30Co10Cr10双相高熵合金(HEA)的力学性能。UHDCT方法可使强度大幅提高~ 58%，伸长率显著提高~ 96%，这与通过复杂的热机械处理获得的结果相当。经过UHDCT处理后，获得了由超细表面区域、过渡区域和内部区域组成的分层异质结构。应用于中间环节的深冷处理诱导形成纳米级针状马氏体变体，而不是转变回奥氏体，由于其高热稳定性而经历粗化。这一粗化过程引发了表面层状结构的形成。因此，孪晶诱导塑性(TWIP)主要控制表面区域的塑性变形，从而提高强度。此外，逐渐的奥氏体恢复导致体积分数的增加和晶粒尺寸的细化，通过相变诱导塑性(TRIP)效应进一步提高了强度和延性。本研究结果为在trip型HEAs中引入分层异构结构提供了方便的途径，从而扩大了创建高性能HEAs的设计可能性。

与传统合金(如钢和铝合金)基于一种或两种主成分设计不同，最近发展的高熵合金(HEAs)含有多种主元素，为在广阔的成分空间中设计具有改进机械性能的新型合金提供了巨大的潜力。然而，HEAs面临着与传统合金相同的挑战，即不可避免的强度-延性权衡困境。因此，人们探索了各种设计策略来改善这种平衡，其中创造异质微观结构的设计理念成为最有效的方法之一。

另一种提高强度和延性的有效策略是降低层错能(SFE)，以触发相变诱发塑性(TRIP)或孪晶诱发塑性(TWIP)。总的来说，双相trip型HEAs的力学性能受到相类型和形貌的显著影响。通过不同的热处理工艺可以定制最终的显微组织。需要注意的是，在退火过程中演变的相形态对退火过程高度敏感，这意味着不同的加热速率和退火时间会导致不同的相结构，最终影响材料的性能。

此外，通过引入大量晶粒或孪晶界和保持适当的奥氏体体积分数来获得细晶粒，对于确保trip型HEAs的优异力学性能也是至关重要的。因此，有必要探索更快的制造工艺，以满足trip型HEAs性能增强的需求。闪蒸退火和深冷处理对传统合金的微观组织细化和力学性能优化对早期HEAs的影响有限，这些HEAs通常不会经历显著的相变，从而影响其结构和性能。 最近，人们对具有TRIP和TWIP效应的HEAs越来越感兴趣。这些效应对退火过程高度敏感，有利于非均相组织的产生和奥氏体的恢复。因此，利用闪变退火和深冷处理可以为诱导非均相微观结构和控制trip型HEAs内的相组成和分布提供互补的方法，以提高其性能。

在这项工作中，山东大学宋凯凯教授团队提出了一种超快退火-深冷处理-回火(UHDCT)方法来定制双相Fe50Mn30Co10Cr10 HEA的显微组织。经过处理后，从表面到内部产生了层次结构，从而同时提高了强度和延性。利用XRD、SEM、EBSD和TEM研究了奥氏体的结构演变，包括体积分数、形貌和相稳定性，以阐明主导相的形成机制和微观组织演变。此外，还详细阐述了结构变化对材料力学性能和变形机理的影响。

相关研究成果以“Evading strength-ductility trade-off dilemma in TRIP-assisted Fe50Mn30Co10Cr10 duplex high-entropy alloys via flash annealing and deep cryogenic treatments”发表在Acta Materialia上

链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424001319?via%3Dihub

图1所示。UHDCT处理路由示意图。

图2所示。(a)铸态和UHDCT试样的显微硬度分布和(b)工程应力-应变曲线(插入:真应力-应变曲线)。(c)参考文献中Fe50Mn30Co10Cr10 HEAs (HF, HM, HR, CR, AN, MI, SPS, FSW和AM分别代表热锻造，均质化，热轧，冷轧，退火，机械铣削，火花等离子烧结，搅拌摩擦焊和增材制造)的当前工作与报告值之间的获得伸长率和最终抗拉强度的比较。

图3所示。(a)表面和内部区域的XRD图谱，(b) BC图谱，(c)表面、过渡区和内部区域的相图，(d)铸态样品的IPF图谱，(e)晶界图;(f)表面区域的SEM显微图，低角晶界(2°≤θ≤15°)和高角晶界(θ≥15°)分别缩写为lagb和HAGBs。

图4所示。(a)铸态试样的TEM显微照片，(b) S1， (c) S2和(d) S3区域的放大视图。(e)为S4区域的SAED模式。(f)为SAED模式，(g) S5区域的放大视图。(h) S6区域的HRTEM图像。(i)和(j)显示了S7和S8各自区域的SAED格局。(k) (a)中标记的S9区域的放大TEM显微图，(l) S10区域的HRTEM图像。

图5所示。铸态试样(a - e)表面(上排)和(f - j)内部(下排)区域的EDS图:(a)表面区域和(f)内部区域，(b,g) Fe， (c,h) Mn， (d,i) Cr， (e,j) Co的SEM显微图。

图6所示。EBSD从表面映射到内部区域。(a)第一次退火后样品的相图和(b) BC图;(c)退火和深冷处理后样品的相图和(d) BC图;(e) Fe， (f) Mn， (g) Co， (h) Cr的能谱图。(i)显示了表面区域内针状马氏体的SEM显微图。

图7所示。EBSD将UHDCT样品从表面映射到内部。(a)相图，(b) BC图，(c)晶界图，(d) IPF图。EDS制图结果为:(e) Fe， (f) Mn， (g) Co， (h) Cr。

图8所示。(a)表面区域的XRD图和(b) SEM显微图。(c)突出显示(b)中虚线框所标记区域的细节;(d)表面和过渡区的TEM显微图，(e) R1和(f) R2区域的放大图。(g)区域R4的HRTEM显微照片(插图:IFFT图案)。(h)为区域R3的特写视图，(i)和(j)分别为区域R5和(j) R6的SAED模式。

图9所示。UHDCT处理样品的SEM图像分别在(a) 573 K、(b) 673 K、(c) 773 K、(d) 873 K的不同温度下，以10 K/min的慢加热速率退火10 min，然后水淬。

图10所示。示意图显示了UHDCT处理期间观察到的显微组织演变机制。

图11所示。(a)铸态(圆形)和UHDCT(菱形)试样的应变硬化率与真应变的关系。铸态试样断口附近区域的显微组织特征:(b)相图，(c) KAM图，(d) IPF图，(e) SEM图。

图12所示。应变(a) 5%， (b) 21%， (c) 32%时内部区域的EBSD相图。(d) FCC、HCP和严重变形区域的体积分数与内部区域外加应变的关系。(e)内部变形孪晶的SEM显微照片。(f) 5%， (g) 21%， (h) 32%菌株时的内部区域KAM图;(i)断裂样品的TEM图像(插图:SAED模式)。(j) HRTEM显微图显示断裂处附近的微观结构。(k)红色虚线所标记区域的FFT模式。

图13所示。在~ 5%的应变下，表面区域的EBSD图显示(a)相位图，(b) KAM图和(c) IPF图;在~ 32%的应变下绘制EBSD图，显示(d)相图，(e) KAM图和(f) IPF图。(g)和(h)为变形后的UHDCT样品的疯牛病显微照片。

该研究的成果与发现可以总结如下：

(1)采用超快退火-深低温处理-回火（UHDCT）方法成功生产了Fe50Mn30Co10Cr10双相高熵合金。

(2)经过UHDCT处理的样品相比铸态样品，其屈服强度增加约50％，抗拉强度增加约58％，延伸率显著增加了96％。

(3)UHDCT处理诱导了一种分层异质结构的形成，包括超细纳米表面、过渡和内部区域。

(4)UHDCT处理后，塑性变形机制发生了变化，表现为在表面区域主要受到纳米尺度层状结构的影响，而过渡和内部区域主要受到马氏体转变、位错和孪晶的影响。

(5)UHDCT策略为在高熵合金中实现强度和延性之间的理想平衡提供了有希望的途径。