Ti-V-Al-Zr-Nb轻质耐火复合合金中的晶粒生长与霍尔-佩奇（Hall–Petch）关系

《Journal of Materials Research and Technology》：Grain growth and Hall–Petch relationship in Ti-V-Al-Zr-Nb lightweight refractory complex concentrated alloys

本研究通过冷轧和不同再结晶退火工艺制备了Ti-V-Al-Zr-Nb轻质耐热复杂成分合金，发现其晶粒生长动力学指数为2.1，激活能约106 kJ/mol，屈服强度随晶粒尺寸增大而降低，但断裂应变保持在20%以上，表现出优异的强韧性协同效应。

　　在材料科学领域，合金材料的性能与其微观结构密切相关。近年来，随着研究的深入，一种新型合金材料——复杂集中合金（Complex Concentrated Alloys, CCAs）逐渐引起广泛关注。CCAs通过将多种金属元素以近等原子比混合，形成具有独特结构和优异性能的合金体系。这种合金不仅表现出高强、高硬度、良好的抗腐蚀性和高温稳定性，还因其简单而稳定的晶体结构（如体心立方BCC结构）而在实际应用中展现出良好的潜力。基于CCAs的研究成果，科学家进一步开发了轻质难熔复杂集中合金（Lightweight Refractory Complex Concentrated Alloys, LRCCAs）。这类合金在继承CCAs优点的同时，还具有更低的密度，因此被认为是下一代结构材料的重要发展方向。

然而，目前开发的LRCCAs往往表现出高强度但室温下延展性不足的问题。这种特性限制了其在实际工程中的应用，特别是在需要良好延展性和加工性能的场景中。因此，深入研究LRCCAs的微观结构演化机制，尤其是其晶粒生长行为，对于提升其综合性能具有重要意义。本研究聚焦于一种非等原子比的Ti-V-Al-Zr-Nb LRCCA，通过冷轧和不同退火工艺的组合，系统地分析了其晶粒生长行为及其对力学性能的影响。研究结果表明，该合金在退火处理后能够保持单一的BCC固溶体结构，且其晶粒生长的动能指数为2.1，激活能约为106 kJ/mol。这些参数为理解其晶粒生长机制提供了关键线索。

在本研究中，研究人员采用了一系列实验手段，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及电子背散射衍射（EBSD）技术，对合金的微观结构进行了全面表征。实验发现，经过冷轧和不同退火处理后，该合金形成了等轴晶结构。值得注意的是，晶粒尺寸在不同退火温度和时间条件下呈现出显著的变化趋势。随着退火温度的升高和退火时间的延长，晶粒尺寸逐渐增大，但晶粒尺寸的均匀性也随之提高。这一现象表明，退火过程中的晶粒生长受到多种因素的共同影响，包括温度对晶界迁移速度的促进作用以及晶界能的变化对晶粒生长的抑制效应。

通过进一步的力学性能测试，研究人员发现，晶粒尺寸对合金的强度和延展性具有显著影响。随着晶粒尺寸的增大，合金的屈服强度呈现下降趋势，而断裂应变则略有上升。这一结果与经典的Hall-Petch关系一致，即晶粒尺寸越小，材料的强度越高。然而，该合金在室温下表现出一定的延展性，其断裂应变超过20%，表明其在保持高强度的同时具备良好的韧性。此外，该合金的屈服强度和断裂应变之间的关系表现出一种良好的平衡，尤其在晶粒尺寸最小时，其屈服强度达到约940 MPa，断裂应变则为约32%。这表明，该合金在晶粒尺寸调控方面具有较大的优化空间，能够实现强度与延展性的协同提升。

进一步的分析表明，该合金的晶粒生长行为受到其内部缺陷和元素分布的显著影响。在冷轧过程中，合金内部会形成大量的空位和位错，这些缺陷在退火过程中成为晶粒生长的驱动力。同时，合金的元素分布较为均匀，没有明显的偏析现象，这也为其晶粒的均匀生长提供了条件。然而，晶粒尺寸的不均匀性在某些退火条件下依然存在，这可能是由于晶界迁移速度的差异导致的。在较低的退火温度下，晶粒边界迁移速度相对较慢，而较高的温度则促进了晶粒的快速生长。此外，晶粒生长过程中还伴随着晶界能的减少，这种能量变化进一步影响了晶粒的生长速率和最终尺寸。

从力学性能的角度来看，该合金表现出一定的加工硬化能力，但其加工硬化率较低。这表明，合金在塑性变形过程中，虽然能够通过位错的生成和积累来增强其强度，但其位错的运动能力受到晶界和内部元素分布的影响。在晶粒尺寸较小的情况下，位错的生成和积累更加集中，导致合金在变形过程中表现出较高的强度和良好的延展性。而在晶粒尺寸较大的情况下，虽然强度有所下降，但断裂应变仍然保持在一个较高的水平，这说明该合金在宏观力学性能上具有一定的韧性。这种韧性可能与合金内部的位错相互作用、晶界滑动能力以及化学有序效应有关。

本研究还对晶粒生长动力学进行了深入探讨。通过分析晶粒尺寸随退火时间和温度的变化趋势，研究人员发现，晶粒生长的动能指数（n）约为2.1，略高于传统纯金属的2。这一结果表明，该合金的晶粒生长受到一定的溶质拖曳效应（solute drag）和Zener效应的影响。这些效应在晶粒边界迁移过程中起到一定的阻碍作用，从而减缓了晶粒的生长速度。然而，由于该合金的复杂元素组成，其内部的化学有序性在一定程度上增强了晶粒边界对位错的阻碍能力，使得晶粒生长受到更大的限制。

在激活能方面，该合金的晶粒生长激活能约为106 kJ/mol，表明其晶粒生长过程需要一定的能量输入。通过分析不同退火温度下的晶粒生长速率，研究人员发现，晶粒生长的激活能随着退火温度的升高而降低。这可能是由于高温促进了原子的扩散，从而降低了晶粒生长所需的能量。然而，在不同的温度区间内，晶粒生长的激活能表现出不同的变化趋势，这可能与晶界迁移速度和溶质拖曳效应的相互作用有关。在较低温度区间（740-800°C），晶粒生长的激活能较高，而在较高温度区间（850-900°C）则较低。这一现象进一步表明，该合金的晶粒生长行为受到复杂的物理和化学机制的共同调控。

此外，该合金的微观结构稳定性也是其优异性能的重要基础。在不同的退火温度下，该合金仍然能够保持单一的BCC固溶体结构，没有出现相变或孪晶现象。这一结果可能与该合金的高堆垛层错能（stacking fault energy, SFE）有关，高SFE能够有效抑制相变和孪晶的形成，从而提高合金的稳定性。这种稳定性不仅体现在晶粒结构上，还体现在其力学性能的均匀性上。无论是在屈服强度还是断裂应变方面，该合金都表现出良好的一致性，这为其在实际应用中的可靠性提供了保障。

在实际应用中，LRCCAs的开发和优化具有重要的意义。由于其低密度和高强韧性，这类合金在航空航天、汽车制造和高端电子设备等领域展现出广阔的应用前景。然而，目前的研究还存在一定的局限性，例如对晶粒生长机制的深入理解仍有待加强，以及对不同退火工艺下晶粒结构演变的系统性分析尚未完全展开。因此，未来的研究需要进一步探索该合金在不同退火条件下的微观结构演化规律，同时结合先进的表征手段，如高分辨率电子显微镜和同步辐射X射线衍射，以获得更全面的数据支持。

综上所述，本研究通过对Ti-V-Al-Zr-Nb LRCCA的系统分析，揭示了其晶粒生长行为与力学性能之间的内在联系。研究结果表明，该合金在保持单一BCC结构的同时，能够通过晶粒尺寸的调控实现强度与延展性的良好平衡。这不仅为LRCCAs的进一步开发提供了理论依据，也为新型高性能合金的设计和应用提供了新的思路。未来，随着材料科学的进步和实验技术的完善，LRCCAs有望在更多领域发挥重要作用，成为新一代高性能结构材料的代表。