高熵合金（HEAs）自2004年提出后，就引起了科研界的广泛关注。其中，面心立方结构的高熵合金（FCC-HEAs）具有优异的塑性、断裂韧性和高的抗辐照能力，然而较低的强度（尤其是屈服强度，室温下通常低于350MPa）限制了其大规模的应用。晶粒细化固然是一种有效的强化手段，但是单单通过细晶强化会造成塑性的严重恶化，即所谓的“强度和塑性之间的对立”（strength-ductility trade-off）。研究人员发现，具有多峰晶粒尺寸分布的异质结构能有效克服“强度和塑性之间的对立”，实现优异的综合力学性能。然而，传统热处理工艺得到的异质结构通常处于一维或者二维层面，在力学行为方面表现出强烈的各向异性和不确定性。三维异质harmonic结构——粗晶区域（核，core）均匀分布在三维连续网状超细晶区域（壳，shell）中，可以实现各向同性且可控的力学性能，有望用于强化FCC-HEAs。

        近日，北京航空航天大学郑瑞晓副教授（通讯作者）联合日本立命馆大学，在期刊Scripta Materialia上发表了题为“Simultaneously enhanced strength and strain hardening capacity in FeMnCoCr high-entropy alloy via harmonic structure design”的文章。研究人员通过机械球磨和放电等离子烧结的方法，成功制备了具有harmonic结构的非等原子比FeMnCoCr高熵合金，其中harmonic结构中shell区域为完全再结晶的超细晶组织（晶粒尺寸小于1μm），且shell的体积分数可以通过研磨时间进行调控。相比于均质材料，异质核壳结构样品的强度和加工硬化能力得到了同步提升。当shell体积分数为70%时，样品的抗拉强度和均匀延伸率分别为1228MPa和~12.4%，展现出优异的强塑性匹配。在本文中，研究人员对harmonic结构的形成以及强韧化机理进行了详细阐述。

        HEA粉末的化学成分为Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀（原子百分比）。首先将粉末在氩气气氛中球磨不同时间（0-150h），球磨过程中粉末形貌的演化如图1所示。球磨100h后，粉末颗粒的横截面上表现出明显的核壳结构，壳的厚度约为25μm，如图1(e)所示。由于粉末表面经历了剧烈的塑性变形，所以壳区域内的晶粒尺寸更加细小。研究人员指出，在粉末颗粒中形成此种核壳结构是在块体样品中实现harmonic结构的关键条件。随后，将粉末在950℃下进行放电等离子烧结（压力：100MPa，时间：1.8ks）。根据球磨时间的不同，将烧结后的样品命名为MM0h，MM50h，MM100h，MM150h，组织如图2所示。MM0h样品中组织分布均匀，平均晶粒尺寸为14.3μm。MM50h样品展现出一种独特的harmonic结构：粗晶（core）被三维连续黑色网状结构（shell）包围。进一步表征表明，shell区域为完全再结晶组织，晶粒尺寸为0.81μm（图2(i)）。随着球磨时间的延长，shell的体积分数逐渐增加，晶粒尺寸几乎不发生变化。shell体积分数以及core/shell平均晶粒尺寸随球磨时间的演化如图2(j)所示。

         不同样品的力学性能曲线如图3所示，本工作中拉伸样品的标距长度为3mm。相比于MM0h样品，MM50h、MM100h和MM150h样品的强度和加工硬化能力均得到了同步提升。

        为了阐明harmonic结构的形成机理，研究人员对MM50h样品进行了TEM表征。结果表明，在机械球磨过程中引入的纳米尺寸颗粒，阻止了高温烧结过程中shell区域内的晶粒粗化，形成了超细晶的再结晶组织。

        研究人员对MM50h样品拉断后的组织进行了表征，以解释harmonic结构对加工硬化的增益效果，如图5所示。core区域的粗晶中产生了位错胞和一些变形纳米孪晶；而在shell区域产生了大量位错和层错，层错与位错的交互作用会提供额外的加工硬化。此外，核壳异质结构能提供强烈的异质变形诱导强化能力（图6），进一步提高材料的加工硬化能力。

        本工作利用机械球磨+放电等离子烧结等技术，成功在FCC-HEAs中构造出了三维核壳异质harmonic结构，实现了强度和加工硬化能力的同步提升。然而，此种方法制备的样品尺寸很小，很难在工业上得到应用。

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原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.09.036