Si诱导的堆垛错位能量调制及其对非等摩尔比CoCrCuNi合金变形机制的影响

《Materials Characterization》：Si-induced stacking fault energy modulation and its impact on deformation mechanisms in non-equimolar CoCrCuNi alloys

高熵合金中硅和铜的添加调控堆垛层错能（SFE）及晶粒尺寸，通过X射线衍射和透射电镜结合拉伸测试，揭示低SFE促进孪生诱导塑性（TWIP）和相变诱导塑性（TRIP），协同细化晶粒抑制硬脆HCP相析出，提升合金强度与延展性。

　　在现代材料科学领域，高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）因其独特的性能和广泛的应用前景而受到越来越多的关注。这类合金通常由五种或更多主元素以近等原子比组合而成，表现出优异的力学性能、耐腐蚀性和高温稳定性。本文的研究围绕CoCrCuNiSi体系中的三种低堆垛层错能（Stacking Fault Energy, SFE）合金展开，旨在探讨SFE与变形机制之间的关系，并通过调控合金成分和晶粒尺寸来优化其机械性能。

SFE是衡量金属材料在塑性变形过程中是否会发生孪生或相变的重要参数。在面心立方（Face-Centered Cubic, FCC）结构的金属中，较高的SFE通常意味着材料主要通过位错滑移进行塑性变形，而较低的SFE则可能引发变形孪生或相变诱导塑性（Transformation-Induced Plasticity, TRIP）等机制。这些变形机制不仅影响材料的强度，还与延展性和韧性密切相关。因此，对SFE的准确测量和调控成为提升高熵合金性能的关键手段。

本研究中，研究人员采用了多种实验手段来评估SFE的值。首先，通过X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）技术对合金进行分析，以估计其SFE。XRD能够提供关于材料晶体结构和晶格参数的信息，这些信息是计算SFE的基础。随后，利用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）对经过拉伸测试的样品进行观察，测量部分位错的宽度，从而进一步验证SFE的值。这种结合XRD和TEM的方法不仅提高了SFE测量的准确性，也为理解材料在变形过程中的微观行为提供了重要依据。

为了更全面地了解SFE对材料性能的影响，研究还采用了数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术来获取材料的泊松比（Poisson's ratio），并使用纳米压痕法（Nanoindentation）测定材料的杨氏模量（Young's modulus）。这些参数对于SFE的计算至关重要，同时也为后续的机械性能评估提供了必要的基础。通过这些实验手段，研究人员能够更精确地确定SFE的数值，并将其与材料的力学行为进行对比分析。

在实验过程中，研究团队特别关注了硅（Si）和铜（Cu）元素的添加对SFE的影响。硅的引入能够有效降低SFE，从而促进变形孪生和TRIP效应的发生。然而，过量的硅可能会导致晶粒快速生长，影响材料的均匀性和稳定性。因此，为了在降低SFE的同时控制晶粒尺寸，研究团队在合金中加入了适量的铜。铜的添加不仅有助于晶粒细化，还能通过其在晶界处的偏析作用，减缓晶界迁移，从而延缓硬脆的六方密堆积（Hexagonal Close-Packed, HCP）相的形成。这种晶粒细化和SFE调控的协同效应，使得材料能够在保持FCC单相结构的同时，获得更好的延展性和强度。

实验结果表明，添加不同量的硅后，三种合金的SFE均有所下降。其中，CoCrCuNiSi合金的SFE值显著低于未添加硅的对照组。此外，通过电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）和TEM的观察发现，随着SFE的降低，合金的变形机制发生了明显变化。在低SFE条件下，材料更容易通过变形孪生和TRIP效应进行塑性变形，这种机制不仅提高了材料的强度，还增强了其延展性。相比之下，高SFE合金主要依赖位错滑移，其变形能力相对较弱。

研究团队还对合金的微观结构进行了详细分析。EBSD逆极图（Inverse Pole Figure, IPF）图显示，所有三种合金均呈现出再结晶后的结构，且晶粒取向随机分布。这一结果表明，合金在热处理过程中已经完成了充分的再结晶，为后续的机械性能测试提供了良好的基础。同时，TEM图像进一步证实了合金中存在大量退火孪晶，孪晶比例在50%至60%之间变化。这种高比例的退火孪晶不仅反映了SFE的降低，也说明了材料在变形过程中对孪生机制的依赖程度。

通过拉伸试验，研究人员进一步验证了SFE与材料力学性能之间的关系。实验结果表明，随着SFE的降低，合金的强度显著提高，而延展性则有所改善。这种强度与延展性的协同提升，使得材料在承受较大载荷时仍能保持良好的塑性变形能力。值得注意的是，尽管SFE的降低有助于提高强度，但过低的SFE可能会导致HCP相的提前形成，从而降低材料的韧性。因此，研究团队在合金设计中特别注意控制SFE的范围，确保其在有利于TRIP效应发生的同时，不会引发HCP相的不利影响。

在合金的制备过程中，研究团队采用了真空电弧熔炼（Vacuum Arc-Melting）技术，并在高纯度氩气气氛下进行多次熔炼以确保成分的均匀性。熔炼后的铸锭经过1077℃保温6小时的均匀化处理，随后进行冷轧至50%的减薄率，最后在950℃下进行1小时的退火处理。所有热处理过程均采用水冷方式进行快速冷却，以防止材料在冷却过程中发生相变或组织变化。这种制备方法不仅能够有效控制合金的微观结构，还能确保实验数据的可靠性。

通过上述实验手段，研究团队成功开发出三种低SFE的CoCrCuNiSi合金，并对其机械性能进行了系统评估。实验结果表明，这些合金在保持FCC结构的同时，具有均匀的晶粒尺寸，且在不同SFE水平下表现出不同的变形机制。其中，CoCrCuNiSi合金的SFE值最低，其强度和延展性均优于其他两种合金。这一发现为高熵合金的设计和应用提供了新的思路，表明通过合理调控合金成分和晶粒尺寸，可以有效提升材料的综合性能。

此外，研究还揭示了SFE与材料变形机制之间的密切联系。在高SFE条件下，材料主要依赖位错滑移进行塑性变形，这种机制虽然能够提供一定的强度，但容易导致材料在变形过程中出现局部断裂，从而降低其韧性。而在低SFE条件下，材料更倾向于通过变形孪生和TRIP效应进行塑性变形，这种机制不仅能够提高材料的强度，还能增强其延展性，使其在承受较大变形时仍能保持良好的性能。因此，SFE的调控对于优化高熵合金的性能具有重要意义。

综上所述，本文的研究不仅为理解高熵合金中SFE与变形机制之间的关系提供了新的实验依据，还为开发具有优异性能的新型合金提供了理论支持。通过合理添加硅和铜元素，研究人员成功实现了对SFE的调控，并在保持FCC结构的同时，延缓了HCP相的形成，从而提升了合金的综合性能。这一研究成果对于推动高熵合金在航空航天、能源和汽车等领域的应用具有重要价值。未来，随着对SFE调控机制的进一步研究，有望开发出更多具有优异性能的高熵合金，满足不同应用场景的需求。