面心立方高/中熵合金的超细晶粒细化：通过剧烈塑性变形和再结晶逼近晶粒细化极限

研究人员针对FCC高/中熵合金(HEAs/MEAs)在变形和再结晶过程中超细晶粒(UFG)形成的机制尚不明确的问题，通过高压扭转(HPT)和短时退火处理CoCrFeMnNi HEA和CoCrNi MEA，发现动态回复抑制和晶界迁移迟滞的特性使材料获得创纪录的细晶尺寸(448/80 nm)，揭示了晶界自由体积减小导致的溶质拖曳效应，为开发超细晶材料提供了新思路。

　　

在材料科学领域，如何突破晶粒细化的极限一直是研究者们追逐的目标。传统金属材料通过剧烈塑性变形(SPD)获得的晶粒尺寸往往停留在微米级，而高熵合金(HEAs)和中熵合金(MEAs)这类新兴多主元合金因其独特的成分设计，展现出突破这一极限的潜力。然而，这些材料在变形和再结晶过程中形成超细晶粒的机理尚不明确，制约着材料的性能优化和应用开发。

为解决这一科学难题，日本京都大学的Shuhei Yoshida团队在《Materials Characterization》发表了突破性研究。他们选取典型的面心立方(FCC)结构CoCrFeMnNi高熵合金和CoCrNi中熵合金为研究对象，采用高压扭转(HPT)结合短时退火的方法，通过系统的显微组织表征和原子尺度模拟，揭示了这类材料实现超细晶粒细化的内在机制。

研究主要采用四项关键技术：1)高压扭转(HPT)在6 GPa压力下实现γ=196的超高剪切应变；2)同步辐射X射线衍射(XRD)结合卷积多重全谱拟合(CMWP)方法定量测定位错密度；3)电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)多尺度表征再结晶组织；4)混合蒙特卡洛/分子动力学(MC/MD)模拟不同原子尺寸差异模型的晶界结构。

【3.1 剧烈塑性变形后的变形组织】研究发现HPT处理后两种合金的位错密度分别高达3.4×10¹⁶和5.4×10¹⁶ m^-2，动态回复受到显著抑制。CoCrNi MEA中还观察到应力诱发FCC→HCP相变，形成43 nm的纳米晶结构，比传统FCC金属细化近一个数量级。

【3.2 初次再结晶后的组织】通过优化退火工艺(HEA:800℃/10s，MEA:700℃/30s)，获得了完全再结晶的超细晶组织。特别是CoCrNi MEA实现了平均晶粒尺寸80 nm(含孪晶)的突破，这是目前单相材料报道的最小值。EBSD分析显示两类合金的再结晶织构分别以A*₁和C组分为主导，并含有28-35%的退火孪晶。

【3.3 初次再结晶后的晶界迁移动力学】通过Arrhenius方程计算发现，HEA和MEA的晶粒长大激活能分别为304和308 kJ/mol，是纯Ni的三倍。原子模拟显示随着原子尺寸差异(δ)从0增至6.15，晶界自由体积(V_GB/b)下降40%，证实严重晶格畸变增强了溶质拖曳效应。

这项研究从三个维度揭示了HEAs/MEAs实现超细晶的机制：首先，高浓度合金元素抑制动态回复，使HPT后获得超高密度位错和纳米晶；其次，大量潜在再结晶核均匀分布，使初次再结晶时晶核只需有限生长就会相互碰撞；最后，严重的晶格畸变减小晶界自由体积，通过增强的溶质拖曳效应抑制晶界迁移。这些发现不仅为开发亚100 nm级超细晶材料提供了新思路，更深化了对多主元合金中缺陷行为的理解，对发展高性能结构材料具有重要指导意义。

特别值得注意的是，研究者通过巧妙的实验设计将传统金属学理论与先进表征技术相结合：采用HPT实现极限应变，利用盐浴退火精确控制短时热处理，结合原子模拟揭示晶界行为的物理本质。这种多尺度研究方法为探索其他复杂合金体系的组织调控提供了范本。该工作标志着人们在逼近晶粒细化极限的道路上迈出了关键一步，为异质结构材料的设计开辟了新途径。