顶刊：强塑性翻倍！一种新型设计策略获得2GPa级超强中熵合金

针对环境问题，超高强度结构材料的需求一直在稳步增长。马氏体时效合金通过减少点阵缺陷和形成金属间析出相而具有较高的抗拉强度和断裂韧性。半共格析出相是表现超高强度的关键；然而，它们仍然只能获得有限的加工硬化和均匀的延性。

在此，来自韩国首尔大学的Seok Su Sohn等研究者展示了一种涉及变形半共格沉淀物及其动态相变的策略，该策略基于两种有序相之间窄而稳定的间隙。相关论文以题为“Doubled strength and ductility via maraging effect and dynamic precipitate transformation in ultrastrong medium-entropy alloy”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-35863-z

马氏体是结构材料中通过剪切或位移相变形成的一种非常坚硬的微观成分，最初是由德国科学家马丁斯在淬火钢中发现的。马氏体的技术重要性，主要来自其基于层次子结构的高强度，而在大多数碳钢中，马氏体显微组织经过回火，通过增加延展性而降低强度来赋予更大的韧性。马氏体时效合金(马氏体+时效)是一类特殊的低碳钢，可阻碍脆性碳化物的形成，在保持较高延展性的同时，实现强度和韧性的理想组合。马氏体时效，可以通过减少马氏体相变过程中形成的晶格缺陷来恢复延性，并通过形成纳米级金属间沉淀物来利用额外的硬化效应，而不是像含碳回火马氏体中那样形成各种碳化物。然而，引入大的共格应变和非均匀分布的半共格析出相可能导致裂纹萌生，这是一把双刃剑。此外，由于商业马氏体时效合金的屈服强度为2吉帕斯卡(GPa)或更高，由于加工硬化有限，其均匀延性限制在~2%，因此，需要进一步提高强度和加工硬化才能得到广泛应用。

动态相变被称为相变诱导塑性(TRIP)，是克服有限加工硬化的可行策略。在机械变形作用下，由相对柔软的母相转变为坚硬的马氏体，导致高加工硬化和延迟颈缩现象。因此，人们对TRIP效应进行了深入研究，以获得坚韧的结构材料。动态相变是通过基于知识的化学成分修改来实现的，以缩小母相和产生的马氏体之间的相稳定性差距。然后，在使用温度下，机械加载和变形可以启动马氏体相变。然而，这种设计概念的局限性是固有的软母相，典型的无序面心立方(fcc)相。与硬马氏体相比，该相在较低的应力水平下开始塑性变形，最终导致较低的屈服强度。

在此，研究者展示了一种利用多用途半共格析出相作为有效位错障碍的策略，同时也追求动态析出相转变，以显著提高初始硬马氏体FeCo_0.8V_0.2中熵合金(MEA)作为模型合金的屈服强度和加工硬化行为。MEAs，作为高熵合金(HEAs)的一个亚类，多主元素合金，或组成复杂的合金，通常由3-4个元素在高浓度下组成，其中高构型熵支持固溶相而不是金属间化合物的形成。这些合金表现出优异的力学性能，这是由于组成元素的原子体积和电负性差异较大，而导致的高固溶强化或严重的晶格畸变。基于该强矩阵，通过Ab initio计算选择了发生动态转变的析出相，结果表明，50Co-25Fe-25V析出相在hP24 (Al3Pu型)(有序六方密堆(hcp)结构)和L12(有序fcc结构)之间的相稳定性差异不明显。窄的稳定间隙最终导致了结构选择的灵活性取决于成核部位；hP24位于基体中，L1₂位于晶界。基体内的hP24主要作为位错障碍，晶界处的亚稳L1₂通过动态析出相转变为hP24，提高了加工硬化速率。这种组合驱动了显著的机械性能，导致强度(高达2.1 GPa)和均匀延展性(约4.0%)的两倍增强。研究结果为合金设计提供了一种很有前景的思路，即针对具有较窄稳定间隙的多个半共格析出相，以促进超强韧结构材料的柔性析出行为和动态析出相转变。

图1 A3B1型(A:(Fe,Co)，B: V)相稳定性的第一性原理密度泛函理论(DFT)计算。

图2 时效条件下析出物的特征。

图3 合金的室温力学性能。

图4 24H合金的变形机理。

图5 说明微观结构演变的示意图。

综上所述，研究者展示了一种设计策略，通过可变形的hP24和可变形的L1₂ PPTs，可以获得~2 GPa的超高强度和可接受的~4.0%的均匀伸长率。通过控制(Fe,Co)₃V中有序相的相对稳定性，赋予了亚稳性，从而实现了金属间化合物的动态相变。与马氏体合金相比，传统TRIP合金的软基体或无序第二相导致其屈服强度较低。因此，现有的初始硬质马氏体基体和半共格金属间化合物使屈服强度没有下降，确保了超强金属材料。除了强度外，该合金还通过采用内部PPTs中的SF形成和晶界PPTs中的TRIP效应克服了有限的加工硬化和塑性行为。这些复杂的冶金机制与简单的热处理建议，实现了高性能和承重的应用要求。研究者期望这些多重半共格析出相和动态析出相转变，适用于下一代超强金属材料的开发。(文：水生）

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