研究背景
在过去受到广泛关注的Cantor合金的基础上，人们开发了一系列贫Ni或不含Ni的非等摩尔比CoCrFeMnNi高熵合金。其中，具有较低层错能的CoCrFeMnNi高熵合金能够在变形过程中发生变形诱导相变和/或孪生，从而激发相变诱导塑性（TRIP）和/或孪生诱导塑性（TWIP）效应，进而获得优异的应变硬化能力和塑性。然而，这类高熵合金的室温屈服强度普遍较低，这极大地限制了它们的工程应用范围。添加C已被证明能够有效提升面心立方（FCC）高熵合金的强度，然而，过量C添加会导致碳化物析出，并容易降低合金的塑性。因此，在设计兼具高强度和高塑性的高熵合金时通常会限制C含量以避免析出碳化物，尽管碳化物的析出会进一步提高合金的强度。
本工作提出了一种联合TRIP/TWIP效应和晶内碳化物来改善高熵合金力学性能的合金设计策略：首先，基于Cantor合金设计了一种含C的具有低层错能的亚稳态Cr20Mn20Fe20Co35-xNi5Cx（x = 0.5, 1, 2）高熵合金，保证其具有TRIP效应，从而呈现出良好的塑性；然后，通过提高C含量以及热机械处理使FCC基体中产生晶内碳化物，并充分利用碳化物析出的强化效应和对变形机制的调节作用，提升强度和塑性。结果显示，随着C含量的提高，经相同热机械处理后的初始显微组织表现出更小的晶粒尺寸、更少的层错以及更高的位错密度。C0.5合金中未观察到碳化物，而C1和C2合金中则存在主要位于FCC晶粒内部的M23C6碳化物。在塑性变形过程中，除位错滑移外，变形诱导相变或孪生也被激活，C0.5合金主要表现出TRIP效应，而C1和C2合金则同时表现出TRIP与TWIP效应。随着C含量增加，合金的屈服强度和总延伸率均提高。屈服强度的提高主要归因于晶粒尺寸减小和M23C6碳化物数量的增加。而塑性的提升源于更高的C含量所引发的多重效应：不仅在较高应变阶段仍能维持较强的应变硬化能力，还促进应变分布的均匀化，从而有效缓解晶界处的应变局部化，并促进裂纹在FCC基体内的钝化。本工作为高性能亚稳高熵合金的设计开发提供了一条重要途径。
近期，实验室赖敏杰教授在期刊《Journal of Materials Science & Technology》发表了题为 “Strategic integration of intragranularcarbides and synergistic deformationmechanisms to overcome the strength.ductility trade-off in face-centered cubichigh-entropy alloys”的研究论文。论文第一作者为博士生薛梦姣，通讯作者为赖敏杰教授，实验室为第一作者单位。
论文链接：
Strategic integration of intragranular carbides and synergistic deformation mechanisms to overcome the strength-ductility trade-off in face-centered cubic high-entropy alloys - ScienceDirect
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.11.019
图1.展示了三种不同碳含量高熵合金的力学响应和断口形貌。(a)的工程应力-应变曲线清晰表明，随着碳含量从0.5 at.%增加至2 at.%，合金的屈服强度（YS）、抗拉强度（UTS）和总延伸率（TEL）均同步提高，成功打破了强度-塑性的传统权衡。(b)的真实应力-应变曲线及加工硬化率曲线显示，高碳含量合金（C1, C2）能在更高的应变水平下维持较高的加工硬化率，这是其塑性得以改善的关键。(c)与文献数据的对比突显了本研究中含有碳化物的C1和C2合金具有优异的强塑性协同效应。(d-f)的断口扫描电镜图像表明，随着碳含量增加，断口中的沿晶断裂特征显著减少，C2合金断口主要由韧窝主导，揭示了碳化物分布与变形机制的改变有效抑制了晶界脆性。
图2.通过透射电镜详细揭示了C0.5合金（碳含量最低）在不同应变下的变形诱发微观结构演变。在3%应变时，即可观察到大量形变诱发的密排六方（HCP）马氏体片层（厚度约3nm）以及堆垛层错（SFs）和位错。随着应变增加至20%和40%，HCP片层的数量和厚度显著增加（可达100nm以上），并逐渐合并形成大块的HCP相，导致FCC相体积分数显著降低。高分辨电镜图像（图i）证实HCP片层内部也存在层错。这种以TRIP效应为主的变形机制在前期提供了高加工硬化能力，但在高应变下因HCP片层粗化导致界面减少，加工硬化能力迅速下降。
图3. 展示了碳含量最高的C2合金在较高应变下的变形微观结构。在20%应变时，除了HCP马氏体片层（厚度约3nm）和位错外，还观察到了形变孪晶（DTs）和9R结构。到40%应变时，HCP片层和形变孪晶的数量进一步增加，但HCP片层仍保持较薄状态，未出现如C0.5合金中的显著粗化现象。高分辨电镜图像（图i）清晰显示纳米尺度的形变孪晶与HCP片层相邻分布。9R结构的形成（图c-f）有助于协调应变。这些多种变形机制（TRIP、TWIP、9R结构位错滑移）的协同作用，使C2合金在高应变下仍能保持高加工硬化率。
图4. 通过EBSD相图定量分析了三种合金在不同应变下变形诱发HCP相的体积分数。在20%应变和断裂应变下，HCP相的体积分数均随碳含量增加而显著降低（C0.5:38.2%→63.4%;C1:17.9%→46.4%;C2:4.1%→22.8%）。间接表明了碳添加提高了层错能，抑制了FCC向HCP的相变。
图5.结合EBSD技术分析了C0.5合金中变形诱发相变对应变分布和裂纹扩展的影响。KAM图（图b,d）显示，在应变早期，HCP片层形成的“网格状”结构有助于位错在晶内均匀分布。但在高应变下，HCP片层合并形成大块相，导致HCP/FCC界面减少，位错更易在晶界处聚集（高KAM值），引发应变局域化。图(e-g)直接观察到了源于晶界的长达40微米的裂纹，这与图1(d)中观察到的沿晶断裂特征相符，解释了C0.5合金塑性相对较低的原因。
图6. 全文核心思想的示意图，直观对比了三种合金随应变增加的变形微观结构演化路径。C0.5合金（a-d）以位错滑移和TRIP效应为主，HCP片层持续增厚合并；C1合金（e-h）则同时激活了TRIP和TWIP效应，HCP片层保持较薄，并出现形变孪晶；C2合金（i-l）的变形机制最为复杂，包括了TRIP、TWIP、9R结构形成以及位错与晶内碳化物的相互作用。该图清晰地表明，通过提高碳含量，可以实现从单一TRIP主导到TRIP/TWIP等多种机制协同作用的转变，这是实现强度与塑性同步提升的微观机制基础。
本文通过战略性地整合晶内分布的M₂₃C₆碳化物与TRIP/TWIP协同变形机制，在Cr₂₀Mn₂₀Fe₂₀Co₃₅₋ₓNi₅Cₓ (x=0.5, 1, 2) FCC高熵合金中成功克服了强度与塑性的倒置关系；随着碳含量增加，合金的屈服强度、抗拉强度和总延伸率均得到同步提升，其强度增强主要源于晶粒细化和碳化物沉淀强化，而塑性的改善则归因于高碳含量所促成的多种变形机制（TRIP、TWIP）协同作用，从而在更高应变水平下维持了高加工硬化率、改善了应变分布均匀性、缓解了晶界处的应变局域化并促进了FCC基体中的裂纹钝化与止裂。
西北工业大学教授、博导、国家级青年人才。主要从事钛合金、奥氏体钢、高熵合金等先进金属材料的前沿应用基础研究，擅长用微观表征手段揭示材料变形和相变的微观机理，长期致力于研究材料宏观使役行为与其微观组织之间的关系，并探索通过调控微观组织和微观变形机制进行力学性能优化的技术。至今已在Acta Materialia、Corrosion Science、JMST、Scripta Materialia等国际著名学术期刊上发表了60余篇SCI论文，获国防科学技术进步一等奖和陕西高等学校科学技术一等奖各1项，兼任中国材料研究学会材料分析表征分会副秘书长、中国核学会核材料分会常务理事、中国材料研究学会青年工作委员会理事、中国有色金属学会稀有金属材料专业委员会委员。
图文 | 薛梦姣，赖敏杰
学校主页