导读
:
在先进工程材料中实现强度和延性之间的最佳平衡一直是研究人员面临的挑战。在材料强化领域，大多数防止或阻碍位错运动的方法都涉及到降低塑性。本文提出了一种基于
调幅
分解的强化方法，该方法将
Cu
和
Al
引入中熵合金中。基体通过简单的一步时效过程进行纳米级周期性调幅分解。周期性
调幅
分解结构内的化学波动诱发
spinodal
硬化，导致双重强化效果，超越了常规的沉淀强化机制。周期性调幅分解结构有效地克服了应变局部化问题，保持了伸长率并使其机械强度加倍。
调幅
分解具有很高的通用性，因为它可以用最少的元素添加来实现，使其成为增强各种合金系统机械性能的有希望的候选者。
由于其独特的成分，包括多种高浓度元素，高
/
中熵合金
(H/ mea)
提供了大量的合金设计机会，作为一类新型的先进金属材料。
中熵合金
通过固溶强化进一步增强了强度和力学性能
。具体来说，沉淀强化机制为直接阻断位错运动提高强度提供了一种基本方法。这一强化过程涉及多种因素的管理，包括促进析出的微量元素的添加、时效条件以及基体与析出相之间的界面关系。然而，尽管有微妙控制析出，
沉淀的形成通常会导致应变局部化
，由于局部塑性不稳定，导致延性降低
10-20%
。
这种强度和延性之间的权衡突出了对替代方法的需求，以
提高面心立方
(FCC)
为基础的
中熵合金
的力学性能，同时保持其延性
。
调幅分解是
一个自发的过程，在此过程中，相分离发生时没有成核的能量屏障，并且在组成中具有振幅波动的自发增长。调幅分解的独特特征在于它能够在基体内创建精细分布的连贯结构。纳米级一致的边界已被提出，以提高强度和延性。此外，还研究了独立分解对提高主要为二元和三元体系的强度和硬度的作用。然而，多组分合金体系中未知的旋量分解特性限制了其在当前研究领域的应用。因此，弥合
调幅
硬化和多组分合金之间的知识差距，可以进一步了解
spinodal
硬化的基本原理，
具有进一步提高先进合金力学性能的明确潜力。
为了实现多主元素合金的旋多分解，
浦项科学技术大学
Hyoung Seop Kim
团队
通过添加微量元素
Cu
和
Al
，设计了一种
含铁介质熵合金
(Fe
61.75
Ni
14.25
Co
7.6
Mn
7.6
Ti
2.85
Si
0.95
Cu
4.5
Al
0.5
，
表示
Fe-MEA)
。这种故意的成分修饰导致了混相间隙的形成和随后的旋多分解。这种复杂的组成策略不仅增加了合金的熵，而且提高了它的焓，从而提高了
spinodal
分解的概率。众所周知，
Cu
和
Al
都能增加层错能，从而防止相变诱发塑性的产生。在
450-600
°
C
范围内进行适当的热处理，可能存在
Fe
2
SiTi, Ni
3
Ti, B
2
和富
Cu
的
FCC
相
;
因此，应进行适当的热处理，以实现所需的
spinodal
分解和同时形成多个动态沉淀。因此，利用独立分解的
Fe-MEA
显示出双倍的强度而没有显着的延性损失。
利用
spinodal
分解为推进合金设计策略和克服
H/ mea
中平衡强度和延性的长期挑战
带来了巨大的希望，为开发下一代金属材料开辟了不同的视野。
相关研究成果以
“
Periodic spinodal decomposition in
double–strengthened
medium–entropy alloy
”
发表在
Nature Communications
上
链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-50078-6
图
1 Fe-MEA
的组成异质性。老化样品的
EBSD (a)
相图和
(b) IPF
图。放大后的
(b1) IPF
图和
(b2) KAM
图。
c
时效试样的初始显微组织的
TEM
亮场图像，以及
(c)
放大后的
(c1)
再结晶区域和
(c2)
非再结晶区域的
STEM
图像和相应的
EDS
图。
进一步的微观结构分析通过透射电子显微镜
(TEM)
揭示了纳米级微观结构在老化过程中的演变。如图
1c
的
TEM
亮场图像所示，时效后的试样继承了原始的显微组织退火状态，包含再结晶区和非再结晶区。扫描透射电子显微镜
(STEM)
图像和相应的能量色散
x
射线能谱
(EDS)
图
(
图
1c1, c2)
显示出
Fe, Cu, Ni
和
Ti
分布在整个基体中的周期性旋量分解结构。化学在
550
°
C
23
时，铁和铜之间的成分分离是明显的，因为实际限制为
~0.21 wt.%
。
图
2
周期旋量分解结构。
Spinodal
分解结构
:(a) Ni-Ti
、
(b) Ni-Cu
、
(c) Cu-Ti
重构
APT
图像自上而下视图
;
(a1) (a)
的放大图像
;a2
为
(a1)
中圆柱体的
Ni-Ti
成分分布剖面。
d
矩阵的
HRTEM
图像和
(d1)
对应的
FFT
沿
[001]
带轴的
FCC
矩阵的模式，索引莫尔模式源于两个具有库尔久莫夫
-
萨克斯取向关系变体的
B2
与矩阵的重叠。
图
3
老化样品的
APT
重构。
APT
重建了所研究合金中的合金种类图，显示出调制的结构。
b
黑框标记区域的命中检测器图，沿
[001]
方向。晶体学的主要极点在地图上有索引。
c
沿
[001]FCC
的一维浓度分布图和
Fe
和
Cu
的归一化成分分布图，每个元素的最大值设为
1
，以便在
(c)
中进行比较。
图
4
老化样品示意图。该示意图描绘了在被调查的系统中跨多个尺度表现出的复杂异质性
。
图
5
时效试样的拉伸性能和变形显微组织
a
工程应力
-
应变曲线，
b
应变硬化率与实验试样的真应力
-
应变曲线
c
退火和时效
H/MEA
试样与常规钢的强化比较。在
5%
局部真应变下变形的时效试样
:(d)
合并透射电镜
暗场图像
;(d1)
由
(d3)
中的红圈得到的
TEM
暗场图像
;d2 TEM
亮场图像
;d3
的
SAED
模式
(d2);e
通过
EBSD
分析得到的各真应变水平的
GND
密度。
“AN”
和
“AG”
分别表示退火合金和时效合金
图
6
2%
应变下位错与纳米颗粒的相互作用。
STEM
亮场图像显示了波浪形和锯齿状的位错。
(c) Ti-L2,3, d - Ni-L2,3
，
(e) Cu-L2,3
的
STEM
暗场图像和
EELS
谱图
。
本研究通过一种基于
spinodal
分解的强化方法，该方法将
Cu
和
Al
引入铁质中熵合金中，
导致双重强化效果
，超越了常规的沉淀强化机制。探究
