Au-Ag-Cu合金热压缩过程中的孪晶、动态再结晶及热变形行为研究

推荐：本研究针对FCC结构高/中熵合金(HEAs/MEAs)在热变形过程中易形成超细晶结构的机制难题，通过高压扭转(HPT)和短时退火实验，结合蒙特卡洛/分子动力学(MC/MD)模拟，揭示了动态回复抑制和晶界迁移迟滞的核心机制，成功制备出晶粒尺寸低至80 nm的完全再结晶单相材料，为开发高性能合金提供了新思路。

　　

在材料科学领域，开发具有优异力学性能的新型合金一直是研究热点。传统金属材料经过剧烈塑性变形和再结晶处理后，往往难以获得超细晶粒结构，这限制了材料性能的进一步提升。高熵合金(HEA)和中熵合金(MEA)作为多主元合金的代表，因其独特的成分设计和优异的性能而备受关注。特别是具有面心立方(FCC)结构的HEAs/MEAs，通过简单的变形和退火处理就能形成完全再结晶的超细晶(FRex-UFG)结构，但其形成机制尚不明确。

为解决这一科学问题，由Shuhei Yoshida、Nobuhiro Tsuji等组成的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表了重要研究成果。他们选取典型的CoCrFeMnNi HEA和CoCrNi MEA为研究对象，采用高压扭转(HPT)技术进行室温变形，随后进行高温退火处理。通过先进的表征技术和原子尺度模拟，系统研究了这些合金在变形和再结晶过程中的微观结构演变规律。

研究采用了多项关键技术：高压扭转(HPT)在6 GPa压力和0.2 rpm转速下进行；利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察微观结构；通过X射线衍射(XRD)和卷积多重全谱拟合(CMWP)方法测定位错密度；采用电子背散射衍射(EBSD)分析晶界特征；开发了混合蒙特卡洛/分子动力学(MC/MD)模拟方法研究晶界结构。

在"变形微观结构"部分，研究发现HPT处理后HEA和MEA的硬度分别达到HV 488.7和525.8，形成纳米晶结构，晶粒尺寸分别为58 nm和43 nm，远小于传统FCC材料。通过CMWP方法测得位错密度高达3.4×10¹⁶ m^-2和5.4×10¹⁶ m^-2，接近非晶化临界值。

"初始再结晶微观结构"部分显示，HEA在800°C退火10秒、MEA在700°C退火30秒后，形成了具有高密度退火孪晶的完全再结晶单相结构。值得注意的是，MEA获得了迄今为止报道的最小晶粒尺寸——包含孪晶的平均晶粒尺寸仅80 nm，不含孪晶为448 nm。EBSD分析表明，两种材料的孪晶界比例分别达到28%和35%。

"晶界迁移动力学"研究通过Arrhenius方程计算得出，HEA和MEA的晶粒生长激活能分别为304 kJmol^-1和308 kJmol^-1，是纯Ni的三倍。MC/MD模拟揭示，随着原子尺寸差异(δ)增大，晶界自由体积(V_GB)显著减小，这是导致晶界迁移迟滞的关键因素。

研究通过建立临界晶核尺寸模型(d*=4γ_GB/αμb²ρ)阐明了HEAs/MEAs易于形成超细晶结构的机制：高位错密度(抑制动态回复)降低了临界晶核尺寸，而严重的晶格畸变(通过MC/MD模拟证实)导致晶界自由体积减小，产生巨大的溶质拖曳效应。这些特性共同作用，既增加了再结晶形核密度，又抑制了晶粒长大。

这项研究不仅成功实现了单相FCC材料的最小晶粒尺寸记录(80 nm)，更重要的是揭示了HEAs/MEAs中独特的变形和再结晶机制。研究发现的高浓度合金元素与晶体缺陷的相互作用规律，为开发新型超细晶材料提供了理论指导，对推动金属材料的极限晶粒细化具有重要意义。该成果将有助于建立更普适的再结晶理论框架，并为设计高性能合金开辟新途径。