Cr含量对298 K和77 K下L1?强化的铁基多主元合金拉伸与夏比冲击行为的影响

《Intermetallics》：Effect of Cr content on tensile and Charpy impact behaviors of L1 2-strengthened Fe-based MPEAs at 298 K and 77 K

　　

摘要

L1₂ 沉淀强化的多主元合金 (MPEAs) 在室温 (298 K) 和低温 (77 K) 下均表现出优异的准静态拉伸性能，突显了其在工程应用中的潜力。然而，其冲击行为仍知之甚少。本工作系统地研究了 (Fe_58.98Ni_31.7Al₆Ti₃Zr_0.1C_0.2B_0.02)_100-xCr_x (x = 0, 4, 8, 和 13 at.%) 合金在 298 K 和 77 K 下的拉伸和夏比冲击行为。Cr8 合金在 298 K 和 77 K 下均实现了强度、塑性和夏比冲击韧性的最佳平衡。值得注意的是，Cr8 合金在 77 K 下表现出卓越的力学性能，屈服强度为 927 ± 13 MPa，抗拉强度为 1552 ± 9 MPa，均匀伸长率为 48.8 ± 3.0%，夏比冲击韧性为 87.9 ± 3.4 J/cm²。当 Cr 含量超过 8 at.% 时，合金的屈服强度、抗拉强度和室温夏比冲击功呈现轻微下降趋势。这种成分依赖性归因于 Cr 诱导的主导变形机制调控。Cr0 合金表现出 FCC 到 BCC 的转变；Cr4 合金显示变形孪晶和位错滑移共存主导；而 Cr8 和 Cr13 合金则由层错和位错滑移主导。这些结果表明，Cr 合金化是定制 298 K 和 77 K 下 L1₂ 沉淀强化 Fe 基 MPEAs 强度、塑性和冲击韧性的有效策略。

引言

极端服役环境，如航空航天、航空、南极探险和低温工业，要求金属结构材料在室温和低温下均具有出色的机械性能 [1], [2], [3], [4]。除了准静态拉伸性能外，冲击韧性是评估金属材料是否容易发生灾难性失效的关键指标 [5]。冲击韧性通常取决于裂纹尖端塑性区中的塑性变形和加工硬化，这些变形能够吸收能量并延缓裂纹扩展 [6]。然而，低温下塑性变形通常受限，特别是在体心立方 (BCC) 合金中，导致明显的韧脆转变 (DBT) [6], [7]。面心立方 (FCC) 合金由于其固有的丰富滑移系和高位错迁移率而避免了这个问题 [8], [9]，而位错滑移和变形孪晶 (DT) 实现了强烈的应变硬化和高断裂韧性 [10]。然而，FCC 合金的冲击韧性通常随温度降低而略有下降 [11], [12], [13], [14], [15], [16]，特别是当低温下发生马氏体转变时 [11], [13]。

最近的研究表明，FCC 多主元合金 (MPEAs) 能从 298 K 到 77 K 保持优异的延展性和冲击韧性 [14], [17], [18], [19]，这种行为主要归因于低层错能 (SFE) 促进的高 DT 密度 [19]。然而，DT 并非必需，高 SFE FCC 合金也可通过位错滑移和位错带形成实现优异的冲击韧性 [20]。尽管具有卓越的韧性，FCC MPEAs 经常表现出强度不足。为了解决这个问题，L1₂ 沉淀强化已成为增强强度和塑性的有效策略 [21], [22], [23], [24], [25]，促进了高强塑性 MPEAs 的开发。然而，大多数研究集中在准静态拉伸行为上；L1₂ 沉淀对冲击韧性的影响仍未得到充分探索。高应变率和预存缺口对变形机制和性能的影响仍不清楚。因此，迫切需要系统调查高性能 L1₂ 沉淀强化 MPEAs 的冲击行为。

Yang 等人 [22] 开发了一种具有优越机械性能的 L1₂ 沉淀强化 Fe 基 MPEA Fe₅₈.₉₈Ni₃₁.₇Al₆Ti₃Zr₀.₁C₀.₂B₀.₀₂ (298 K)。在本工作中，添加 Cr 旨在调节 SFE，设计并制备了一系列 Fe 基 (Fe₅₈.₉₈Ni₃₁.₇Al₆Ti₃Zr₀.₁C₀.₂B₀.₀₂)_100-xCr_x (x = 0, 4, 8, 13 at.%) MPEAs。系统研究了 298 K 和 77 K 下的夏比冲击和拉伸行为，并阐明了变形机制。

章节摘要

实验

(Fe₅₈.₉₈Ni₃₁.₇Al₆Ti₃Zr₀.₁C₀.₂B₀.₀₂)_100-xCr_x (x = 0, 4, 8, 13 at.%) MPEAs，分别标记为 Cr0, Cr4, Cr8, 和 Cr13，通过使用高纯元素 (≥99.9 wt%) 在高纯氩气氛围中并配以 Ti 吸气剂进行电弧熔炼制备。每个铸锭重熔五次以确保成分均匀性。铸锭吸铸成铜模 (10 × 10 × 50 mm³)，在空气中 1373 K 均质化 2 h，室温下冷轧至～2.5 mm 厚度，在 1373 K 再结晶 30 min，

显微组织

EBSD 相图 (图 1) 和 XRD 图谱 (补充图 S1) 显示，Cr0, Cr4, Cr8, 和 Cr13 合金均由单相 FCC 组成。所有合金均表现出均匀的等轴晶，平均晶粒尺寸 (????????) 分别为 Cr0–Cr13 的 22.2, 21.2, 22.7, 和 21.6 μm (分布参见补充图 S2)。这些结果表明添加 Cr 不会改变相组成，也不会显著影响平均晶粒尺寸。

图 2 展示了高角度环状

结论

综合研究了 (Fe₅₈.₉₈Ni₃₁.₇Al₆Ti₃Zr₀.₁C₀.₂B₀.₀₂)_100-xCr_x (x = 0, 4, 8, 13 at%) Fe 基 MPEAs 在 298 K 和 77 K 下的准静态拉伸性能和夏比冲击行为。系统检查了 Cr 对夏比断裂机制的影响。主要结论如下：

• (1)
  添加 Cr 改变了 77 K 下的断裂机制：从 Cr0 合金中 FCC 到 BCC 转变引起的脆性断裂，到 Cr4 合金中的位错滑移和 DT，以及

CRediT 作者贡献声明

王灿灿：撰写 - 初稿，验证，方法论，调查，形式化分析。李美瑞：验证，方法论，数据管理。孙婉婉：方法论，调查，数据管理。任一鑫：可视化，调查，形式化分析，数据管理。陈家翔：方法论，数据管理。王一迪：验证，数据管理。吴少杰：撰写 - 审阅与编辑，监督，方法论，调查，资金获取。蔡永福：撰写 - 审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金 (批准号 52401118) 和河南省自然科学基金 (批准号 262300421403) 的支持。

王灿灿|李美瑞|孙婉婉|任一鑫|陈家翔|王一迪|吴少杰|蔡永福|魏然

郑州大学材料科学与工程学院，郑州，450001，中国