本文提出了一种具有超高强度和延展性的低成本Fe62Co5Ni10Cr13Si7Al3 (at%)中熵合金(MEA)。在MEA中通过冷轧和短时间退火得到了面心立方(FCC)和体心立方(BCC)相组成的双相部分再结晶组织。在非再结晶区存在高密度位错，超细晶基体中含有大量纳米沉淀物。该MEA在298 K和77 K条件下具有优异的屈服强度(1237 MPa和1640 MPa)和均匀伸长率(12.7%和29.1%)。此外，由于具有较高的多级应变硬化行为，在77K条件下的极限抗拉强度可达~2109 MPa。优异的低温力学性能主要归功于高密度位错、超细晶粒、纳米沉淀、巨大的Lüders变形、异质变形诱导硬化和变形诱导马氏体相变。

近年来，面心立方(FCC)中/高熵合金因其独特的低温力学性能而受到广泛关注。但FCC M/ hea的屈服强度(YS)普遍不足，限制了其适用性。低强度差(UTS-YS)使合金的抗意外过载能力较差，使用安全性较差。具有廉价高Fe浓度的MEA，近年来Fe-MEA已引起广泛关注，但强度-延展性的权衡和良好的成本/性能平衡仍然是Fe-MEA面临的挑战性问题。这主要是因为Fe-MEA中的强化机制没有得到充分利用。

在这里，来自郑州大学等单位的研究人员提出了一种新型的具有成本效益的双相Fe-MEA，其标称成分为Fe62Co5Ni10Cr13Si7Al3(%)。低成本的Si和Al有望诱导固溶强化，调节层错能(SFE)，进而调节相稳定性。Al也有望与Ni形成第二相，然后诱导析出强化。在MEA中通过冷轧和短期退火得到部分重结晶的UFG结构。最后，通过多种变形机制的组合，在MEA中获得了优异的力学性能。相关论文以题为“Ultrahigh cryogenic strength and ductility in a duplex metastable ferrous medium-entropy alloy”发表在《Scripta Materialia》杂志上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115334

材料在常温和低温下都具有优异的性能，但低温与常温的变形行为明显不同。合金的屈服行为由298 K时的典型连续屈服过渡到77 K时的间断屈服。在达到上屈服点(1670)后，MEA的屈服率明显下降MPa，然后是一个长屈服平台(~ 7.8%)。结果表明，屈服强度下降现象是由于缺乏移动位错造成的。真实应变曲线(SHR)， 77 K时出现多级应变硬化。因此，宽的应变范围导致了该MEA在塑性变形过程中具有超高的拉伸强度。已报道的M/HEAs、共晶HEA、富Fe-M/HEAs和不锈钢，该MEA在77 K和298 K都具有较高的强度。

图1 (a) 298K和77K时MEA的工程应力-应变曲线和(b)应变硬化曲线。本MEA的YS - UE (c)和UTS - UE (d)在77K时与其他合金的比较。

由于双相结构和纳米析出相的存在，超细晶粒(UFG)能提供显著的晶界强化效果，非再结晶组织中残余的高密度位错有利于YS的增强，纳米沉淀物的存在会阻碍位错的运动，进而诱发沉淀强化。由于MEA的微观结构不均匀，软晶在变形过程中会积累几何必须位错(GNDs)，导致额外的异质变形诱导(HDI)硬化，HDI硬化对强度有显著的贡献。MEA的高YS主要来源于UFG、析出、HDI强化和高密度位错。

图2 Fe62Co5Ni10Cr13Si7Al3 (at%)的显微组织MEA:(a) XRD和(b) EBSD相图，(c)晶粒尺寸分布，(d)再结晶区域的STEM图像，(e) HAADF图像包含退火孪晶，对应该区域Fe, Co, Ni, Cr, Si, Al的能谱(EDS)。(f)， (g)从(e)退火孪晶和纳米沉淀物区域的EDS线扫描。(h)纳米沉淀物非再结晶区域的TEM亮场(BF)图像和SAED图。(i) TEM图像中含有纳米沉淀物，(j) (i)中纳米沉淀物的HRTEM图像及其(k) FFT花样

图3 (a)拉伸试样在77K屈服后的Lüders波段传播图像。(b)均匀伸长率为4%的量规截面放大图像。EBSD相位分别在Lüders波段内(c)和外(d)映射。

该MEA在77K条件下的多级应变硬化机理可归纳为: 随着温度从298K降低到77K, YS随晶格摩擦势垒的增加而增大。当上升到最高屈服点时，由于缺乏可动位错而导致屈服下降(对应于阶段I)，随后塑性变形立即局限于狭窄变形区域，导致变形不均匀。 Lüders带的逐渐扩展对应于应变硬化阶段II。在真应变为10%时，Lüders带已覆盖整个量规，SHR迅速增大。FCC晶粒中退火孪晶界可以形成限制位错运动的障碍。在高SHR拉伸过程中(对应于III和IV阶段)，大量位错堆积和马氏体转变(~20% FCC到BCC)是两种主要的强化机制，III和IV阶段的变形机制与部分304L不锈钢相似。因此，MEA最终获得了优异的低温强度和延性。

图4 (a) 298K和77K断裂样品的XRD衍射图。(b) 298K (b)和77K (c)断裂样品EBSD相位图。(d1)-(d4) 77K拉伸断裂样品TEM显微图，其中(d2)图像为(d1)对应的放大区域，(d4)图像为(d3)对应的放大区域

综上所述，该 MEA具有优异的常温和低温力学性能，而同时激活的多种变形机制，包括高密度位错、超细晶粒、大量纳米沉淀、巨大的Lüders变形、异质变形诱导硬化和变形诱导马氏体转变，是MEA优异的低温力学性能的原因。（文：晓太阳）

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