Ti2ZrNbNi3合金的超高压挤压（R-EHEA）过程中，由于局部相变导致材料的韧性-脆性转变呈现应变率依赖性

《Materials Science and Engineering: A》：Strain rate-dependent ductile-to-brittle transition of Ti 2ZrNbNi 3 R-EHEA induced by local phase transformation

　　

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  Ti₂ZrNbNi₃ R-EHEA 具有良好的机械性能和应变率效应。基于位错密度的本构模型可以预测其行为。
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  在 2000 s^-1 以下，B2→B19′ 相变激活了 TRIP 效应，提高了强度和延展性；超过 2000 s^-1 时，发生从延展性到脆性的转变，此时 DRX 占主导地位。
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  板状冲击试验显示，在 8.25 GPa 的冲击压力下，其剥落强度为 2.718 GPa。已经拟合了 Ti₂ZrNbNi₃ R-EHEA 的 Hugoniot 关系。

引言

RHEAs 有一个实际缺点：其组成元素的熔点较高，合金的凝固范围较宽，因此在铸造过程中熔体流动性能较差。这导致铸造缺陷，并限制了可生产部件的尺寸[23],[24]。将共晶概念扩展到难熔体系，形成了难熔共晶高熵合金（R-EHEAs），共晶凝固缩小了凝固范围，从而改善了铸造性能，同时保留了难熔成分的优势[25]。基于这一方法，Shen 等人[25]通过优化混合焓设计了 Ti₂ZrNbNi₃ R-EHEA。这种合金铸态下具有超细的 BCC + B2 层状结构，具有良好的铸造性能，熔点为 1087 °C，凝固点为 1100 °C。

然而，对 Ti₂ZrNbNi₃ 的研究主要局限于其凝固行为和铸态微观结构[25]。关于其在高应变率载荷下的响应（这决定了合金在装甲防护、碎片屏蔽及相关冲击场景中的性能）的研究还很少。先前的研究表明，Ti₂ZrNbNi₃ 在动态和静态载荷下表现出不同的相变行为[23]。但随着应变率的逐渐增加，Ti₂ZrNbNi₃ 的机械响应也会发生变化。因此，本研究旨在揭示其背后的机制。

在将该合金的动态行为用于设计或数值模拟之前，还需要解决两个问题。第一个问题是本构模型。Johnson-Cook (J-C) 模型因其简单易校准而被广泛用于 HEAs[26],[27],[28],[29],[30],[31],[32],[33]。然而，该模型的大多数参数都是经验性的，缺乏物理依据，因此无法描述位错密度演变与热激活之间的耦合[34],[35],[36],[37]。结合位错密度演变的本构模型对 HEAs 的动态行为具有更好的预测能力[38],[39],[40]，但针对 R-EHEA 的模型寥寥无几。第二个问题是冲击响应。剥落强度和 Hugoniot 关系是影响冲击和穿透抵抗力的关键参数[41],[42],[43],[44],[45],[46]，已对多种 HEAs 进行了测量[12],[47],[48]：CrMnFeCoNi 和 NiCoFeCrAl 的 Hugoniot 弹性极限分别为 2.58 GPa 和 3.70 GPa，Al_0.1CoCrFeNi 的剥落强度为 4.04 GPa。但对于 R-EHEA，此类数据仍然有限。

本文制备了一种具有 BCC + B2 双相结构的 Ti₂ZrNbNi₃ R-EHEA。通过 Split Hopkinson 压力棒（SHPB）试验和板状冲击实验研究了其在高应变率下的机械性能和剥落强度。样品的断裂表面形态表明，Ti₂ZrNbNi₃ R-EHEA 在高应变率下的失效模式主要是脆性断裂，仅有少量的延性断裂特征。应力-应变曲线显示，在应变率超过 2000 s^-1 时发生从延展性到脆性的转变。对失效机制的微观结构分析发现：在 2000 s^-1 之前发生了 B2 → B19′ 相变，而在 2000 s^-1 之后发生了潜在的动态再结晶。提出了一个基于位错密度演变的本构模型，结果表明该模型能够预测材料在准静态和动态载荷下的机械行为。最后，得到了 Ti₂ZrNbNi₃ R-EHEA 的线性 Hugoniot 关系。实验结果显示，在 8.25 GPa 的冲击压力下，材料的剥落强度达到了 2.718 GPa。

章节片段

材料与实验

在本研究中，使用真空电弧熔炼炉制备了 Ti₂ZrNbNi₃ R-EHEA。制备过程包括以下步骤：i) 按照 2:1:1:3 的摩尔比称量 Ti、Zr、Nb 和 Ni 原料；ii) 将称量的原料加入无水乙醇中，并在超声波清洁器中清洗 20 分钟以确保没有杂质；iii) 将清洗后的原料放入干燥箱中；

微观结构

图 3(a)-(d) 显示了 Ti₂ZrNbNi₃ R-EHEA 的 SEM 图像、XRD 图谱、TEM 图像、SAED 图像和 EDS 图像。材料呈现出无明显铸造缺陷的层状 BCC + B2 双相结构。如图 3(d) 所示，BCC 相富含 Nb，B2 相富含 Ti、Zr、Ni。表 1 显示，Ti、Zr、Nb 和 Ni 的原子比例与设计值一致。

机械性能

图 4 显示了 SHPB 试验中的波形，即入射波与...

结论

本文通过 SHPB 试验和板状冲击试验制备并研究了 Ti₂ZrNbNi₃ R-EHEA。通过微观结构分析揭示了其在高应变率下的失效模式。根据试验结果得出以下结论：(1)

Ti₂ZrNbNi₃ R-EHEA 具有良好的机械性能和应变率效应。在准静态载荷下，试样的加工硬化阶段较长，抗压强度和屈服应变达到 1679 MPa

作者贡献声明

Tianyu Liao：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，数据可视化，验证，软件使用，实验设计，数据管理。Haijun Wu：资源调配，项目管理。Zihan Zhang：资源调配，项目管理，资金申请。Kehui Wang：资源调配，项目管理，资金申请。Hang Wang：资源调配，项目管理，资金申请。Gang Zhou：撰写 – 审稿与编辑，项目指导，方法学设计，资金申请，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

国家自然科学基金（批准号：U2441214, 12502464, 12502463）的支持。

Tianyu Liao|Haijun Wu|Zihan Zhang|Kehui Wang|Hang Wang|Gang Zhou|Rong Chen