導讀：高應變率超塑性在高強度材料中極為罕見，尤其是高熵合金缺乏超塑性成形能力。本文製備的高熵合金在1073K高應變速率下實現了有史以來最大伸長率2000%，這是先進材料科學的巨大突破（a huge breakthrough）。研究表明，超塑性變形的主要機制與晶界滑移相關，晶內位錯在塑性變形過程中對變形的調節有重要作用。
超塑性通常出現在細晶材料中，並且在低應變率（10-4~10-3/s）和相對溫度較高的情況下出現（> 0.5Tm，Tm為熔化溫度）。在過去的幾十年裡，研究人員已在高應變率（>10-2/s）下實現超塑性並獲得廣泛關注，能夠縮短超塑性形成時間，在實際應用中優勢巨大。但是，高應變率超塑性（HSRS）在高強度材料中極為罕見，尤其是在最近出現的一類高強度材料，即高熵合金（HEA）中，缺乏超塑性成形能力，嚴重阻礙了HEA在複雜工程結構的潛在應用。因此，在HEA中實現HSRS將標誌著先進材料科學的巨大突破（a huge breakthrough）。
韓國浦項科技大學的研究人員通過熱加工處理，再經高壓扭轉（HPT）處理，製造了具有納米級FCC晶粒和B2相的Al9（CoCrFeMnNi）91高熵合金，實現在1073K高應變速率（5×10-2/s）下具有2000%的超高超塑性，是有史以來報導的HEA最大的伸長率。相關論文以題為「Ultrahigh high-strain-rate superplasticity in a nanostructured high-entropy alloy」近日發表在Nature Communications。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16601-1
本研究使用真空感應熔煉製備Al9（CoCrFeMnNi）91（at％）高熵合金，鑄錠在1473K下均質12h，水淬。通過冷軋將鑄錠厚度從7mm軋至1.5mm，然後在氬氣中進行1273K×15min退火，水淬。高壓扭轉處理為室溫6GPa壓力下進行，以1 r/min的轉速旋轉5次。
研究發現，在超塑性拉伸試驗前，初始微觀結構顯示出FCC和富Al-Ni的B2相。退火後的樣品顯示出細小的FCC晶粒（平均尺寸約為2μm），在FCC晶粒的邊界處有相對較大的B2析出物（800nm-1m），而在FCC晶粒內部有小的B2析出物（200-400nm）。在HPT過程中，軟的FCC晶粒經歷了嚴重的應變，導致晶粒細化，同時硬B2相與軟的FCC相一起流動並保持其尺寸。這導致B2相尺寸從幾百納米到幾微米不等，使納米級FCC基質具有獨特的雙重微觀結構。
圖1 超塑性測試前的初始微觀結構
通過不同的測試條件進行超塑性拉伸試驗，在1073K的溫度下，應變率5×10-2/s時，達到最大伸長率2000%。超塑性變形的主要機制與晶界滑移（GBS）相關，HPT處理可以產生具有大角度晶界的納米級晶粒，能夠促進GBS發生。分析拉伸試樣發現除了存在FCC和B2相之外，在超塑性測試期間還形成了σ相（富含Cr），高應變率以及B2和σ相的存在限制了超塑性變形期間晶粒的生長，σ相在當前的HEA中起硬疇的作用，並且可以在較軟的疇中生成必要的位錯（GND），以保持相間邊界兼容性。在超塑性變形過程中保持超細晶（UFG）和相近的形態證實了GBS的存在，通過GBS適應晶粒旋轉。高密度位錯的產生出現在FCC和B2晶粒中，表明晶內位錯在塑性變形過程中對變形的調節有重要作用。在FCC和B2相中，空位的相互連接和位錯運動降低了應力集中，並且在容納GBS方面起著至關重要的作用。
圖2 Al9（CoCrFeMnNi）91高熵合金（HEA）的超塑性行為
圖3 在1073 K和5×10-2/s下測試的超塑性拉伸試樣的微觀結構分析
綜上所述，通過微結構工程可以在高熵合金（HEA）中實現超高應變率超塑性（HSRS），該多相顯微組織能夠獲得2000％伸長率的超高HSRS記錄，顯著大於其他研究中所觀察到的結果。本研究有助於利用多相超細晶結構來獲得HEA材料中超塑性的實際改進。HEA的獨特性能以及這種超高的HSRS使HEA在航空航天和汽車等行業應用更加廣泛。（文：破風）
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