北京科技大学钛合金材料研究院（提出一种具有普适性的高强韧FCC合金设计策略）

导读：以面心立方（fcc）结构为主相的多主元合金通常具有优异的室温综合力学性能和在极端条件下服役的潜力。然而，他们普遍存在屈服强度低的弊端而无法满足实际工程需要。本文提出了一种具有普适性的高强韧fcc合金设计策略，即通过简单的热机械处理引入间隙原子驱动的局部化学有序（LCO）结构。这一合金强韧化策略被成功应用于FeMnCoCr系多主元合金和奥氏体不锈钢中，为开发高性能、低成本的金属结构材料提出了新思路。

以fcc结构为主的多主元合金通常具有高强塑积、高耐磨性和优异的耐辐照性等优异性能。随着其在深低温环境和动态加载条件下的应用潜力被相继发掘，这类合金一跃成为航空航天、深海船舶和能源储存等领域所关注的焦点。众多研究者已致力于这类合金的强韧化研究并取得显著成效。其中，通过冷变形与部分再结晶退火相结合的热机械加工路线构造晶粒尺度的非均匀组织结构，是一种高效、经济且易于实现的强化手段。

非均匀组织结构，即异构，包括亚纳米尺度的短程有序（SRO）和1~5纳米尺度的中程有序（MRO）等引起的成分异构，以及非均匀晶粒尺寸引起的结构异构。由这些异构特征引起的强化被证实可显著地提升fcc结构多主元合金的屈服强度。基于此，东北大学贾楠教授团队前期开发了一种针对以fcc结构为主相的FeMnCoCr系多主元合金的强韧化策略，即向著名的亚稳Fe50Mn30Co10Cr10（at.%）多主元合金中进行严重的N掺杂，随后采用中等形变量冷轧和部分再结晶退火的工艺制备了具有多重异质结构的Fe47.4Mn30Co10Cr10N2.6合金。该合金的屈服强度被提升至1.31 GPa，为未掺N基体合金的近5倍，且均匀延伸率保持在16.5%。屈服强度的显著提升主要归因于在奥氏体形变基体中形成的密集板条组织，而良好的韧性则归因于合金在塑性变形阶段发生了显著的位错滑移和形变孪生。上述工作于2021年发表在International Journal of Plasticity上。

然而，关于这一强韧化策略仍存在以下悬而未决的问题：

（1）板条组织的成因和晶体结构尚不明确；

（2）除了微结构细化所导致的强化外，板条组织自身对于合金强度的贡献尚不清楚。

为了解决上述问题，东北大学贾楠教授团队联合中南大学等单位将上述强韧化策略分别应用于具有fcc结构的FeMnCoCrN多主元合金和FeMnCrMoN多主元不锈钢中，并对它们进行了精细的微观结构表征和宏/微观力学性能测试。研究表明，两种材料均具有超高的屈服强度（>1.34 GPa）和良好的韧性（>12.5%）匹配，LCO板条结构对合金强化贡献显著，且板条的形成与局域化学序密切相关。此外，证实了SRO结构为所研究合金的本征属性，即SRO在固溶处理后即存在且贯穿存在于随后的冷轧态、部分/完全再结晶态。这些发现为大幅度提升fcc结构多主元合金的屈服强度提供了新途径，同时为开发具有超高屈服强度和良好韧性匹配的非均匀合金微观组织设计提供了理论指导。相关研究结果以提“Interstitial-driven local chemical order enables ultrastrong face-centered cubic multicomponent alloys”发表在Acta Materialia上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.102965

图 1. 不同状态高氮高熵合金（N3.2 HEA）和高氮钢（HNS）的室温拉伸性能和微观结构. HOMO：固溶态 ；PRX：部分再结晶态；FRX：完全再结晶态.

图 2. N3.2 HEA-PRX 材料的SRO和LCO板条结构分析.（a）板条结构的透射电镜照片.（b）[112]γ带轴下的选区电子衍射.（c）暗场相.（d）HRTEM 图片.（e）STEM-HAADF 图片.（f）SRO区域的IFFT 图片.（g）SRO与fcc晶格叠加的IFFT图片.（h）SRO与ABF像叠加的IFFT 图片.（i）对应于图（a）针尖形区域的三维原子探针分析.

图3. LCO板条的形成过程分析.（a）-（c）N3.2 HEA-HOMO、N3.2 HEA-CR 和 N3.2 HEA-FRX 材料的透射电镜照片.（d）高分辨照片.（e）MRO区域的IFFT图像.（f）N3.2 HEA-PRX材料中的SRO 和MRO 尺寸分布.（g）热机械处理过程中的LCO板条形成示意图.（h）LCO结构中的原子排列示意图和对应的电子衍射花样.

图 4. 材料的强化与韧化机制分析.（a）四种典型区域的纳米压痕测试结果.（b）和（c）N3.2 HEA-PRX材料拉伸变形后断口附近的透射电镜图片.（d）所研究材料与具有其它不同强化机制的多主元合金的力学性能对比.（e）所研究材料与其它合金的屈服强度、原材料成本对比.

综上所述，这项工作提出的高强韧性合金设计策略适用于fcc结构高熵合金和钢铁材料的制备，部分再结晶态材料超高的屈服强度被归因于奥氏体形变基体中密集的板条组织。这些由MRO、SRO和fcc晶格组成的板条由冷轧过程引入，且在低于再结晶的温度仍具有一定的热稳定性。这是首次在间隙固溶的fcc合金中发现共存的SRO和MRO。此外，本文所采用的通过严重的N合金化、中等形变量冷轧和部分再结晶退火的强韧化策略可望被应用到更多的fcc结构金属材料体系中，以实现综合力学性能的突破。