随着社会的发展，人类加强了对未知领域的探索，因此，对高性能材料的需求愈加紧迫。其中太空探索、极地研究、超导装置、核反应堆和液化气体储存等领域需求具有优异低温性能的材料，例如高强度、高塑性、高冲击韧性等。在火爆荧幕的科幻电影《流浪地球》中，人类需要在零下80度的地球表面活动，而具有优异低温性能的各类工具则极其关键。目前，316不锈钢由于不具有明显的韧脆转变而被广泛应用于低温环境中，然而，低屈服强度限制了其应用。与传统的单主元金属材料钢、铝合金、铜合金、钛合金和镁合金等相比，近年来，采用多主元设计理念的高熵合金（High-entropyalloy，简称HEA）得到了学术界与产业界的广泛关注，用于开发新材料从而满足高性能需求。
近日，中国科学院金属研究所张哲峰研究员、东北大学田艳中教授、悉尼大学安祥海博士和浙江大学王江伟研究员通过简单冷轧和后续热处理，成功制备了一种具有完全再结晶结构的 CoCrFeMnNi 超细晶（UFG）高熵合金。与通过严重塑性变形（SPD）制备获得的超细晶组织相比，完全再结晶 UFG 材料缺陷少、组织稳定。该 UFG 组织可以有效存储位错等缺陷，从而充分利用细晶、位错和变形孪晶实现强化，保障材料具有优异的加工硬化能力。实验结果表明，该材料在室温和液氮温度下均具有极其优异的强韧性。室温下的屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率分别为 798 MPa、 887 MPa 和 26 %。相比之下，液氮温度下的屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率全面提升，分别为1240 MPa、1460 MPa 和 41 %。与众多材料相比，该高熵合金的低温综合性能更加优异。
该研究提出了利用理想超细晶结构获得良好的强韧性匹配，为金属材料强韧化提供了一种可行的设计思路，且采用的轧制制备工艺简单，可应用于实际的工程材料制备。该结果发表在Materials Today Nano杂志上，Materials Today Nano 4 (2018) 46-53，https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2018.12.002 ）。论文第一作者为博士生孙士杰。该工作得到了国家自然科学基金和澳大利亚研究理事会项目支持。
图文解析
采用室温冷轧（轧制量 ~ 92%）结合 675 ℃ 退火 30 min的工艺方法，成功制备了具有完全再结晶结构超细晶高熵合金，平均晶粒尺寸为 650 ± 150 nm，其微观结构如图1所示。TEM 照片显示晶粒内并没有明显位错缺陷存在，与严重塑性变形制备的超细晶组织形成明显对比。
▲ 图1 再结晶超细晶高熵合金的显微组织
▲ 图2 再结晶超细晶高熵合金的拉伸力学性能
该超细晶高熵合金室温下的屈服强度和抗拉强度分别高达 798 ± 13 MPa和 887 ± 16MPa，且保持着 26 ± 1 % 的均匀延伸率。液氮温度下，超高的屈服强度和抗拉强度分别为 1240 ± 15 MPa和 1460 ± 18 MPa，超高的均匀延伸率为 41 ± 2 %。与常用低温材料在液氮温度下的性能相比具有较为明显的优势。同时，该超细晶高熵合金在液氮温度下表现出极其优异的加工硬化能力。
▲ 图3 不同应变下超细晶高熵合金在 77 K下的组织演变
超细晶高熵合金在 77 K 下具有优异的加工硬化能力，这与低温拉伸过程中位错和孪生在内的多种变形机制的激发有关。在较低应变下，平面型位错滑移占主导位置，且随着应变量增加，层错和变形孪晶逐渐被激发，从而保障较高的加工硬化率。微观组织见图3。
在 293 K进行拉伸变形时，位错滑移主导了超细晶高熵合金的变形机制，尽管其层错能较低，但由于晶粒细化导致的临界孪生应力提升，变形孪晶并没有被激发。但当变形温度从 293 K下降到 77 K时，出现了由位错滑移为主的单一变形机制向由位错、层错和变形孪晶为主的多级变形机制转变。正是这种多级变形机制在低温下持续激发使得超细晶高熵合金表现出极其优异的低温强韧性。变形机制示意图见图4。
图4 超细晶高熵合金变形机制随温度转变示意图
本文揭示了超细晶高熵合金的强韧化机理，加深了对超细晶材料组织性能关系的理解，并为高熵合金在低温环境中的应用提供了依据。此外，本文提供了一个方便可行的强韧化思路，即通过简单的冷轧和适当的热处理，可以方便地制备出理想超细晶高熵合金，该思路可以很容易拓展到其他材料体系，并在工业上得到实际应用。
