Si添加对CoCrNi基中熵合金动态力学行为及绝热剪切局部化的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Si addition on dynamic mechanical behavior and adiabatic shear localization of CoCrNi-based medium-entropy alloys

　　

研究人员系统研究了少量Si添加对CoCrNi基中熵合金(MEA)动态力学行为及绝热剪切局部化的影响。将晶粒尺寸相近的再结晶态CoCrNi与CoCrNiSi0.3合金在10-3至5000 s-1应变率下开展准静态与动态压缩，并在约5.2×104 s-1下开展帽形动态剪切试验。Si添加显著提高了准静态与动态加载下的屈服强度和流动应力，同时Si添加合金表现出更高的应变硬化响应，表明压缩过程中抗塑性变形能力增强。然而强度与硬化能力的提升并未转化为抗应变局部化能力的增强。在5000 s-1动态压缩下，CoCrNiSi0.3中观察到明显剪切带，而CoCrNi中无明显剪切带。帽形剪切试验进一步证实该趋势：CoCrNiSi0.3绝热剪切失稳临界剪切应变(γc)约4，远低于CoCrNi的约8。此外Si添加合金绝热剪切带更窄（约8.64 μm，对比CoCrNi约15.03 μm），带内动态再结晶纳米晶更细。绝热剪切敏感性分析亦确认CoCrNiSi0.3敏感性略高。结果表明少量Si添加提升CoCrNi基MEA动态强度，但同时促进高应变率剪切加载下应变局部化，凸显动态应用合金设计中强化与抗剪切局部化需平衡。

研究背景方面，中/高熵合金(M/HEA)由多主元近等原子比构成，其中面心立方(FCC)单相CoCrNi中熵合金兼具高塑性与应变硬化能力，但本征强度不足且存在强度-塑性权衡。引入类金属Si可打破该瓶颈，其通过固溶强化、降低层错能(SFE)促进变形孪晶与FCC-to-HCP相变，在CoCrNiSi_0.3中已实现室温抗拉960 MPa、延伸率92%。然而该类合金在冲击与爆破载荷下的动态响应尤其是绝热剪切带(ASB)行为尚未明晰，而ASB受热力软化、应变硬化与应变率硬化竞争控制，Si可能通过改SFE、应变率敏感性与热物性改变该竞争。为此研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》发表工作，系统对比CoCrNi与CoCrNiSi_0.3的动态力学与绝热剪切行为及微观机制。

关键技术方法上，研究人员采用真空感应悬浮熔炼制备?80 mm×100 mm铸锭，经1200 ℃均质化、62.5%轧制及再结晶退火（CoCrNi于1150 ℃、CoCrNiSi_0.3于1100 ℃各1 h）获得平均晶粒128.2 μm与117.7 μm的等轴再结晶组织；加工5 mm×4 mm×3 mm立方体压缩样与帽形剪切样；利用Instron开展10^-3 s^-1准静态压缩，Split Hopkinson压杆(SHPB)开展最高5000 s^-1动态压缩及约5.2×10⁴ s^-1帽形剪切；基于一维应力波理论获取应力-应变；借助扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)及聚焦离子束(FIB)表征变形前后显微组织，并用JMatPro计算热物理参数、Bai-Dodd与Wright模型估算剪切带宽与敏感性系数χ_SB。

研究结果部分，3.1初始显微特征显示两合金均为完全再结晶等轴FCC单相，晶粒尺寸同级，排除晶粒尺寸效应。3.2动态力学行为表明，CoCrNiSi_0.3在10^-3 s^-1下屈服强度279.96 MPa（CoCrNi为197.64 MPa），5000 s^-1下升至626.06 MPa（CoCrNi为579.46 MPa）；平均应变硬化率全程更高；准静态应变率敏感性m_s分别为0.0239与0.0152，动态m_d为0.581与0.706，Si降低动态SRS但提升绝对强度。3.3动态压缩后显微表征指出，准静态下CoCrNi以多级孪晶、层错(SF)与FCC-to-HCP为主，CoCrNiSi_0.3出现弱带状结构；5000 s^-1下CoCrNi仍无明剪切带，以多级孪晶、5-20 nm纳米孪晶及HCP片层均匀变形，CoCrNiSi_0.3则形成约1 μm剪切带，带内为动态再结晶纳米晶，周边高密度位错缠结与SF，表明Si溶质摩擦促位错累积与局部化。3.4动态剪切性能中，帽形试验给出CoCrNiSi_0.3剪切流变应力更高但临界应变γ_c≈4（CoCrNi≈8）；按Taylor-Quinney系数0.9估算绝热温升峰值，CoCrNiSi_0.3仅约590 K，远低于CoCrNi约1190 K，因低γ_c限制塑性功转化热。3.5 Si对剪切带特征的影响进一步细分：3.5.1剪切后SEM/TEM显示CoCrNiSi_0.3的ASB宽约8.64 μm、带内纳米晶更细且晶界模糊，CoCrNi为约15.03 μm、纳米晶较粗晶界清晰；过渡区CoCrNi具初/次/三级孪晶，CoCrNiSi_0.3仅单取向孪晶；低绝热温升缩短晶界迁移时间抑制晶粒粗化。3.5.2按Bai-Dodd式代入导热系数（CoCrNiSi_0.3 28.90 W/(m·K)、CoCrNi 23.04 W/(m·K)）与局部应变率修正，预测带宽8.90 μm与13.93 μm，与实验吻合。3.5.3 Wright敏感性χ_SB计算得CoCrNi 0.028、CoCrNiSi_0.3 0.030，Si添加略增敏感性，与低γ_c、窄带宽一致。

讨论总结指出，Si通过原子尺寸错配强化固溶、降SFE促平面滑移与孪晶，抬升动态强度与硬化率，但同步削弱均匀塑性功积累、压低失稳临界应变，使绝热温升受限、剪切带变窄且更早形核；强度增益伴随局部化抗力下降，并非传统“强即韧”线性外推。结论部分译为：（1）Si添加在10^-3-5000 s^-1全面提升CoCrNi压缩屈服与流动应力，动态SRS更低说明强化主因属Si诱导而非应变率硬化；5000 s^-1下CoCrNiSi_0.3现明剪切带而CoCrNi均匀变形。（2）帽形剪切中CoCrNiSi_0.3剪切流变应力更高但γ_c≈4远小于CoCrNi≈8，χ_SB亦略高。（3）CoCrNiSi_0.3的ASB更窄（约8.64 μm）、带内动态再结晶纳米晶更细晶界更模糊；少量Si提升动态强度却促进绝热剪切局部化，动态服役合金设计须权衡强化与抗剪切局部化。