導讀：由均勻嵌入在三維連續連接的超細晶粒(UFG)區域中的粗晶粒(CG)區域組成的調和結構(HS)被認為是一種有效的微結構設計策略，可提高金屬材料的強度和延展性。本研究通過控制機械研磨和隨後的燒結，成功地製備了具有可調殼層分數(範圍從約16%到約70%)的非等原子FeMnCoCr高熵合金。與均勻結構的樣品相比，設計的樣品顯示出優異的強度和應變硬化能力。特別是外殼的比例為70%的試樣的極限抗拉強度和均勻伸長率分別達到1228 MPa和12.4%，表現出優異的強度-延展性協同作用。
高熵合金(HEAs)在2004年提出以來，引起了全世界的關注。在過去的十年中，人們提出了許多不同晶體結構的HEAs，其中簡單面心立方結構(FCC)結構的HEAs因其優異的延展性、優越的斷裂韌性和高的耐輻射性而備受關注。然而，面心立方高溫合金的強度不足，尤其是室溫下的低屈服強度（通常低於350 MPa），限制了其作為先進結構材料的實際應用。因此，開發新的顯微組織設計策略來提高面心立方合金的強度和延展性是十分必要的。
根據眾所周知的Hall-Petch關係，晶粒細化是一種在不改變其化學組成的情況下強化高合金的有前途的方法。然而，通過單調的晶粒細化來提高強度通常伴隨著延展性的顯著犧牲。具有多峰晶粒尺寸分布的非均質微結構由於其在克服強度和延展性之間的矛盾方面的有效性而日益受到關注。這些異質結構的一個共同特徵是具有「軟」和「硬」域。據報導，通過冷軋和隨後的退火，在鈷鎳中熵合金中獲得了由軟再結晶晶粒和硬非再結晶區組成的不均勻微觀結構，導致屈服強度顯著提高(~ 775 MPa)，斷裂伸長率高達35%。然而，通過常規熱機械工藝(例如冷軋和隨後的退火)實現的異質結構通常是一維或二維結構，並且控制硬疇和軟疇的體積分數和空間分布也非常困難。因此，這些非均質結構材料通常表現出顯著的各向異性和較大的力學性能不確定性。相比之下，由Ameyama等人提出的諧波結構(HS)被認為是一種獨特的三維異質結構，由均勻嵌入在三維連續相連的UFG區域(「殼」)中的CG區域(「核」)組成。因此，在HS設計的材料中可以實現各向同性和可控的機械性能。然而，迄今為止，這種微觀結構和改進的機械性能主要是在純金屬中實現的，例如銅、鎳和鈦。
基於此，北京航空航天大學探索了HS優化FCC-HEAs強度和延性的可行性。選用非等原子FCC基FeMnCoCr HEA作為模型合金體系，以氣體霧化法製備的Fe50Mn30Co10Cr10(原子百分比)的HEA粉體為原料，採用機械球磨法對粉末進行加工，成功地製備了具有可調殼層分數(範圍從約16%到約70%)的非等原子FeMnCoCr高熵合金。設計的樣品顯示出優異的強度和應變硬化能力，特別是外殼的比例為70%的試樣的極限抗拉強度和均勻伸長率分別達到1228 MPa和12.4%，表現出優異的強度-延展性協同作用。相關論文以題「Simultaneously enhanced strength and strain hardening capacity in FeMnCoCr high-entropy alloy via harmonic structure design」發表在國際材料頂刊Scripta materialia上。
論文連結：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.09.036
樣品的微觀結構如圖2所示。EBSD逆極圖（IPF）圖覆蓋了使用不同粉末合併的樣品的GBs，如圖2 （ad）所示。IP製備的MM0h樣品顯示出幾乎均勻的微觀結構，平均晶粒尺寸為14.3μm。相反，在MM50h樣品中出現了特有的微觀結構，其中被封閉在三維連續連接的黑色網絡中的粗晶粒出現（圖2 （b）），被稱為「諧波結構」。
圖1機械研磨過程中粉末形態演變:(a)0 h；(b) 50 h；(c) 100 h和(d) 150 h，(e)研磨100 h的粉末的橫截面圖像，(f)顯示研磨粉末的核/殼結構的示意圖。
圖2EBSD IPF + GB圖及大塊樣品相應的晶粒尺寸圖：(a，e) MM0h；(b，f) MM50h；(c，g) MM100h和(d，h) MM150h。(i) MM50h樣本中貝殼區域的EBSD IPF+英國地圖。(j)殼率和殼/核平均粒度隨研磨時間的變化。
圖3 (a)標稱應力-應變曲線和(b)不同微觀組織的大塊試樣的真實應變-應力/應變硬化速率曲線
圖4 MM50h樣品中(a)巖心和(b)殼區亮場(BF)TEM圖像。(c) MM50h樣品殼區和(d)對應的HADDF-STEM圖像，顯示高密度的納米顆粒沿晶界分布。(e)能譜儀(EDS)測圖和(f) EDS線掃描(d)中紅線)MM50h樣品殼區結果，顯示了納米顆粒中Mn、O、Si元素的富集。
圖5 拉伸試驗後MM50h試樣中(a, b)芯區和(c-f)殼區組織。(a)核心區位錯細胞結構的BF-TEM圖像(用白色箭頭表示)。(b)核心區退火孿晶界(ATBs)和變形誘導的納米孿晶界(圓形區域)的BF-TEM圖像。(b) (c)貝殼區域的BF-TEM圖像顯示高密度的位錯(用白色箭頭表示)的SAED模式。(d) (c)箱體區域(較大區域)的變形誘發疊加斷層(SFs)的BF-TEM圖像。圖中顯示了(d)中圓圈區域的SAED模式。(e)中盒裝區域(較小的那個)的HRTEM圖像(c)顯示了ATBs內的SFs。(f) (e)盒區顯示SFs原子疊加序列的HRTEM圖像。
綜上所述，HS設計的具有可調殼率的FeMnCoCr HEA樣品通過機械研磨和隨後的SPS成功製備。高溫燒結後，由於細小納米顆粒的聚散作用，使其殼粒尺寸保持在1 μm以下。與均質試樣相比，HS型試樣的強度和應變硬化能力均有提高。顯著增強的強度主要來自於晶粒細化強化和沉澱強化。SHR的增強是由於通過HS設計的HDI硬化以及殼內多重變形機制的激活和相互作用。
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