《Journal of Alloys and Compounds》：Systematic investigation on the dominant factor in the mechanical strengthening mechanism of the BCC phase in the FCC HEA matrix by using in-situ EBSD
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本研究以Al?.?CoCrFeNi高熵合金（FCC+BCC双相）为模型材料，通过原位EBSD技术系统研究其强化机制与变形行为，并与纯FCC相CoCrFeNi合金对比。结果表明，BCC相通过位错强化（37.3%）、晶界强化（12.8%）和析出强化（4.6%）显著提升合金强度；同时抑制FCC相孪生，促进位错滑移，优化应力分布，增强加工硬化能力。晶体塑性模拟证实BCC相界面应力集中协同提高强度与韧性，揭示了多尺度机制，为高熵合金设计提供新见解。
Xufeng Wang|Hongli Suo|Zili Zhang|Lei Wang|Jianhua Liu|Qiuliang Wang
教育部先进功能材料重点实验室，北京工业大学材料科学与工程学院，北京市朝阳区平乐园100号，邮编100124，中国
摘要
本研究以Al?.?CoCrFeNi高熵合金（FCC+BCC双相）作为模型材料，利用原位EBSD技术系统地研究了其与纯FCC相CoCrFeNi合金的强化机制和变形行为。研究结果表明，BCC相通过多种机制显著提高了合金的强度，强化贡献依次为：位错强化（179 MPa，37.3%）、晶界强化（61 MPa，12.8%）和沉淀强化（22 MPa，4.6%）。在塑性变形方面，BCC相显著抑制了FCC相中的孪晶形成（将孪晶比例从38.2%降低到4.6%），促进了以位错滑移为主的变形模式，并通过应变梯度（ΔKAM=2.71）优化了应力分布，从而增强了加工硬化能力。晶体塑性模拟进一步表明，BCC相界面处的应力集中限制了FCC相中的塑性流动，协同增强了强度和韧性。本研究阐明了BCC相通过晶粒细化、位错调控和应力优化实现强度和韧性的多尺度机制，为高熵合金设计提供了新的见解。
引言
高熵合金（HEAs）在材料科学中引起了广泛关注，这主要源于其独特的化学复杂性和相关的晶格畸变效应。这些合金表现出优异的综合性能，包括高强度、出色的抗氧化性、显著的耐腐蚀性和良好的辐射抗性[1]。高熵合金的定义是含有多种主要元素，且这些元素的原子比接近等原子比。由于其高配置熵，它们倾向于形成简单的固溶体而非金属间化合物。典型的例子如CoCrFeMnNi（Cantor合金）和TiAlVNbMo体系已被广泛研究，并显示出作为下一代高能电池材料的潜力[2]，[3]。值得注意的是，随着研究的深入，高熵合金的设计概念已逐渐从传统的等原子比合金扩展到非等原子比体系。其中最具代表性的进展是通过向CoCrFeNi基体中引入特定溶质原子，成功制备出具有可调性能的一系列非等原子比高熵合金。
CoCrFeNi合金具有单相面心立方（FCC）固溶体结构，由于其高化学复杂性和显著的晶格畸变效应，最近在学术界和工业界受到了广泛关注[4]。在高熵合金中，多种主要元素以接近等原子比分布，高配置熵促进了简单固溶体的形成。这一特性突破了传统单一主要元素合金的设计理念，为新型合金的开发提供了全新的策略。以掺铝的等原子比CoCrFeNi体系为例，该高熵合金的微观结构演变和力学性能已被广泛研究[5]。随着铝含量的增加，其晶体结构发生了显著变化：从初始的单相FCC结构逐渐发展为双相FCC+BCC结构，在较高铝含量下最终以BCC相为主[6]，[7]，[8]，[9]。研究表明，即使少量铝的引入也能显著提高CoCrCuFeNi中熵合金（MEAs）的硬度，这主要是由于铝原子引起的强晶格畸变效应和固溶体强化机制[10]。
研究潜在的主动变形机制是优化高强度复合材料力学性能的关键科学问题。研究表明，材料的变形行为主要取决于其化学组成[11]，[12]，[13]，[14]，晶体结构特征[15]，[16]，[17]，[18]以及外部应变条件[19]，[20]，[21]。这些因素共同决定了变形模式的激活和演变。以面心立方（FCC）结构合金为例，其典型的变形机制包括完全位错滑移、部分位错运动和变形孪晶[22]。对于具有低堆垛错能特性的FCC型高熵合金（HEAs），其变形过程表现出明显的应变依赖性：在低应变阶段，塑性变形主要由位错滑移主导；当应变达到临界值时，变形孪晶作为次要变形机制被激活并逐渐扩展[23]。值得注意的是，变形孪晶的形成引入了大量亚晶界，通过动态Hall-Petch效应显著增强了材料的加工硬化能力。这一现象为设计高强度和延展性材料提供了重要的理论基础[24]。
研究表明，Al0.3CoCrFeNi高熵合金在原位拉伸测试中表现出独特的变形特性。通过SEM和EBSD表征不同应变阶段的微观结构演变，本研究阐明了其塑性变形和断裂机制。结果揭示了独特的变形特性，为理解合金的力学性能提供了关键的微观结构基础。此外，还提出了一种通过微观结构控制增强强度-延展性协同性的新策略，为开发先进的高熵合金提供了宝贵的理论和技术见解。
实验部分
实验
本研究使用Al0.3CoCrFeNi和CoCrFeNi（原子百分比，%）组成的高熵合金作为研究对象。为简洁起见，将Al0.3CoCrFeNi合金和CoCrFeNi合金分别称为“FCC+BCC合金”和“纯FCC合金”。合金的制备过程如下：在氩气保护气氛下的真空悬浮熔炼炉中熔化纯度高于99.99%的金属原料（含有微量...）
结果
本节系统研究了FCC+BCC合金和纯FCC合金的力学性能和变形机制。首先，我们对这两种合金的拉伸性能进行了全面分析，获得了关键的力学性能参数。其次，通过详细的微观结构分析，深入探讨了合金的初始微观结构特征。最后，通过原位EBSD拉伸测试，研究了动态微观结构...
讨论
纯FCC和FCC+BCC高熵合金的原位EBSD数据详细描绘了它们在机械应变下的微观结构演变过程。为了将这些观察结果转化为基本的机制见解，现在进行比较讨论，重点讨论了它们对屈服强度的影响机制、提高塑性变形能力的途径以及每种合金中的断裂机制。
结论
本研究通过原位EBSD拉伸测试，比较分析了CoCrFeNi（纯FCC）和Al0.3CoCrFeNi（FCC+BCC）高熵合金在拉伸变形过程中的晶粒结构、塑性变形和力学性能之间的关系。主要结论如下：
(1) 在FCC+BCC相合金中，内在强度和固溶体强化的总和（σ?+Δσ?）约为193 MPa，显著高于纯FCC相的47 MPa
作者贡献声明
Xufeng Wang：撰写——初稿撰写、研究、数据整理、概念构思。Hongli Suo：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、资金申请。Zili Zhang：撰写——审稿与编辑、项目管理、研究。Lei Wang：数据可视化、方法学设计。Jianhua Liu：数据验证、软件使用。Qiuliang Wang：资金申请、正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本项目得到了国家自然科学基金（52277021, 52293422, 52293421, 52325701, 52422702）的支持。
