一种基于CoCrNi的中等熵合金的成分设计，该合金通过固溶强化机制提升了性能

《Materials Science and Engineering: A》：Compositional design of a CoCrNi-based medium-entropy alloy with enhanced solid solution strengthening

　　

摘要

本研究采用固溶强化策略，设计并制备了一种基于CoCrNi的中等熵合金，该合金在保持室温及77 K下单相面心立方（FCC）结构的同时，展现了优异的强度-塑性协同效应。详细的微观结构表征和分子动力学模拟共同证实，溶质元素引起的局部晶格畸变有效阻碍了位错滑移。叠错能从CoCrNi的约22 mJ·m^-2增加到CoCrNiTi_0.1Al_0.1Si_0.15的约33 mJ·m^-2，从而抑制了孪晶形成倾向，同时仍允许叠错和Lomer–Cottrell锁的形成。Ti、Al和Si的固溶作用改善了晶格畸变和短程有序对位错钉扎和储存的影响，使得室温下的屈服强度相比经典的CoCrNi合金分别提高了23.56%，77 K时提高了37.36%，而均匀延伸率则保持相当。本研究通过成分设计方法，尝试探索一种新的基于CoCrNi的中等熵合金组成。

引言

自Yeh等人在2004年提出多主元素高熵合金（HEAs）的概念以来，中等/高熵合金由于其独特的设计理念和优异的性能，已成为材料科学的研究热点[2]。中等熵合金（MEA）的概念源自高熵合金（HEA）[3]，后者通过多种主要元素的组合，实现了强度和塑性的卓越平衡[4],[5]。在MEA中，基于CoCrNi的MEA因其优异的室温和低温韧性而脱颖而出[6],[7],[8]。早期的CoCrNi研究表明其具有单相面心立方（FCC）结构，这促进了位错滑移和孪晶的形成，赋予了其较高的应变硬化能力[9]。

后续研究通过引入Al[10]、Mo[11]、Ti[12]和Si[13]等合金元素来扩展这一体系，以增强特定性能。例如，Si的添加[13]可以降低应力腐蚀 factor（SFE），增加晶格畸变，激活纳米孪晶形成和FCC-HCP相变，使CrCoNiSix（x = 0, 0.1, 0.2, 0.3）合金成功突破了传统材料的强度-塑性平衡。Igor Moravcik等人[14]研究了以CrCoNiCx（x=0.5, 1）为主要成分的中等熵合金，发现间隙固溶C元素通过固溶强化、晶界修饰和纳米碳化物沉淀协同作用，优化了CoCrNiMEA的强度-塑性平衡。这些发现强调了成分设计在调控微观结构和机械性能方面的关键作用。

新型合金的开发从根本上依赖于成分设计，因为合金组成决定了相稳定性、局部原子环境以及微观结构演变，进而影响机械性能。尽管已经开发出多种策略来提升高熵合金的整体机械性能[15],[16]，但成分设计仍然至关重要，因为它决定了合金的内在特性和后续发展潜力。对于固溶强化合金，成分修改可以直接调控局部晶格环境和变形行为[17]。因此，通过合理的成分设计探索新的合金组成，对于理解组成-结构-性能关系以及开发具有改进机械性能的合金具有科学意义。在此背景下，基于CoCrNi的中等熵合金仍然提供了丰富的成分探索空间，以研究多元素合金化对其变形和机械行为的影响。

在本研究中，同时向CoCrNi基体中引入了Ti、Al和Si，通过成分设计方法探索了一种新的CoCrNi基中等熵合金组成。选择这些溶质元素是基于它们不同的原子大小和化学特性，这些特性可以通过协同合金化作用改变CoCrNi基FCC基体的局部晶格环境。所研究的CoCrNiTi_0.1Al_0.1Si_0.15合金的机械性能通过在室温（298 K）和低温（77 K）下的拉伸试验进行了评估，并系统地分析了变形过程中的微观结构演变。叠错能是基于分解部分位错的分离距离来估算的。此外，还进行了分子动力学（MD）模拟，以研究Ti、Al和Si溶质原子对局部晶格畸变和位错运动阻力的影响。通过这种结合实验和原子模拟的方法，本研究旨在阐明成分修改、局部晶格畸变、位错行为与新型CoCrNi基中等熵合金机械响应之间的关系。

章节片段

加工

CoCrNi（Co 34.96, Cr 29.50, Ni 35.45 wt.%）和CoCrNiTi_0.1Al_0.1Si_0.15（Co 33.35, Cr 28.09, Ni 32.11, Ti 2.68, Al 1.50, Si 2.27 wt.%）合金通过真空感应熔炼制备。铸锭在1200 °C下均质化12小时后，经过冷轧至厚度减少90%。轧制后的样品最终在1200 °C下退火4.5分钟，随后进行微观结构表征和机械测试。

机械测试

测试用的狗骨形拉伸试样的尺寸为10 mm × 2.5 mm × 1.5 mm。

机械性能和相

系统地研究了CoCrNiTi_0.1Al_0.1Si_0.15中等熵合金在298 K和77 K下的拉伸变形行为。图1(a)比较了在相同条件下测试的CoCrNiTi_0.1Al_0.1Si_0.15和CoCrNi合金的工程应力-应变曲线。Ti、Al和Si的添加显著提升了两种合金在两种温度下的机械性能。在298 K下，CoCrNiTi_0.1Al_0.1Si_0.15

讨论

与等原子比的CoCrNi中等熵合金相比，如图1所示，CoCrNiTi_0.1Al_0.1Si_0.15合金表现出更优越的机械性能，表明Ti、Al和Si的添加显著改变了合金的微观力学行为。在等原子比的CoCrNi合金中，组成元素（Co 135 pm、Cr 140 pm、Ni 135 pm）的原子半径相对接近，因此主要元素之间的原子尺寸不匹配有限

结论

本研究通过向等原子比的CoCrNi基体中引入Ti、Al和Si，设计并制备了一种单相FCC结构的CoCrNiTi_0.1Al_0.1Si_0.15中等熵合金。系统地研究了该合金在298 K和77 K下的拉伸性能和变形机制，并进一步分析了溶质添加对晶格畸变、叠错能、位错行为和应变硬化响应的影响

CRediT作者贡献声明

刘毅：撰写 – 审稿与编辑，方法学，数据管理。倪松：撰写 – 审稿与编辑。任云飞：数据管理。蒋伟：撰写 – 审稿与编辑，方法学，数据管理。赵永浩：指导。李阳：数据管理。王璐玲：撰写 – 初稿，软件应用，方法学，形式分析。刘润昌：撰写 – 初稿，方法学，形式分析，数据管理，概念构思。刘艳芳：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。曹阳：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的报告内容。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2021YFA1200203）、中央高校基本科研业务费（项目编号：B250201292、30919011405、B250201112）、国家自然科学基金（项目编号：52601245、52471130、52301159、51971112）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20220962）以及江苏省前沿科技基础研究重大专项（项目编号：BK20222014）的资助。作者还

Runchang Liu|Luling Wang|Yang Cao|Yanfang Liu|Lirong Xiao|Song Ni|Yi Liu|Wei Jiang|Yunfei Ren|Yang Li|Yonghao Zhao

南京工业大学材料科学与工程学院纳米与异质材料中心，南京 210094，中国