金屬所發現高熵合金“回火脆性”與“韌-脆-韌”轉變機制

　　【儀表網 研發快訊】金屬材料的“脆性”是工程應用的“大敵”。在鋼鐵、高溫合金、鋁合金等傳統材料中，不合理的熱處理往往誘發材料脆化，如回火脆性和中溫時效脆性，其典型特征是在狹窄溫區內韌性顯著下降，嚴重威脅工程結構的安全服役。
 

　　傳統合金的中溫(回火)脆性研究已持續百年，其機制主要歸因于晶界弱化。經典理論認為，雜質元素(如S、Bi、P、As等)在晶界偏聚，以及粗大晶界析出相的形成，顯著降低了晶界內聚力，使晶界成為裂紋萌生與擴展的“薄弱環節”。
 

　　近年來，高熵合金(多主元合金)因其獨特的成分和性能備受關注。一個重要問題是，其復雜的成分和特殊的熱動力學行為是否會引發類似的甚至更復雜的脆化行為？揭示其熱響應規律和機制，對高熵合金的熱處理工藝優化和工程應用具有重要意義。
 

　　近日，中國科學院金屬研究所李殿中院士和孫明月研究員團隊在高熵合金體系中發現了類似鋼中“回火脆性”的“韌-脆-韌”轉變現象，并厘清高熵合金中溫脆化的成因并非傳統的晶界效應，而是源自于局部有序結構和相界的動態演變，拓展了對傳統回火脆性經典理論的認知。相關成果以“Aging-Induced Ductile-Brittle-Ductile Transition in High-Entropy Alloys and its Implications”為題，發表于《先進科學》(Advanced Science)雜志上。孫明月研究員和謝碧君博士為論文的共同通訊作者，博士研究生代乾寧為第一作者。
 

　　研究團隊結合多尺度表征、第一性原理計算及深入分析，系統揭示了高熵合金的“韌-脆-韌”轉變機制。1)L12過有序+鋸齒狀相界的協同脆化：研究表明，中溫時效誘導L12發生過有序化，同時形成鋸齒狀的B2/FCC(L12)相界。一方面，L12過有序導致高度局域化的平面滑移帶；另一方面，鋸齒狀的非共格相界嚴重阻礙位錯跨越界面滑移，導致界面處產生應力集中。當高度局域化的平面滑移帶沖擊這些滑移傳遞不利的相界面時，局部應力迅速超過B2相的斷裂極限，誘發脆性斷裂。2)L12有序度降低+韌性過渡界面的協同韌化：在非脆性溫度區間時效時，高擴散能力使得L12有序度降低，激活多滑移與交滑移，顯著提升合金的均勻變形能力。更關鍵的是，鋸齒狀界面轉變為平滑界面，并在B2/FCC(L12)相界附近形成富Cr析出相缺失區(CRPs-free zone)。該區域內的富Cr相(CRPs)在熱作用下溶解消失，形成韌性過渡區，使B2相邊緣與FCC(L12)基體的變形能力更為匹配，有效緩解界面應力集中。從而顯著抑制局域變形和脆性開裂傾向，展現出優異的強塑性。
 

　　該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國科學院等項目的資助。
 

圖1. 時效高熵合金力學性能及相界結構
 

圖2. 高熵合金“韌-脆-韌”轉變不同階段的L12 domain結構
 

圖3. 高熵合金局部化學有序的APT表征及第一性原理計算
 

圖4. 高熵合金變形機制和斷裂行為
 

圖5. 高熵合金局部化學有序-相界協同機制