Science：CrCoNi基中熵和高熵合金在接近液氦温度下的优异断裂韧性

高熵合金（HEA）是一种新的金属材料类别，它的性能来源于多种主要元素的存在，其中，等原子CrMnFeCoNi（所谓的Cantor）合金是所有HEA中最具特征的合金，在液氮温度下，其强度、延展性和韧性的室温力学性能可以显著提高，从293 K时的763 MPa增加到77 K时的1.28 GPa，拉伸延性相应地从57%增加到71%以上，此外同系列的单相等原子CrCoNi中熵合金（MEA）表现出了更好的性能，在77K下，发现其拉伸强度为1.3GPa，拉伸延性为90%，为了探究CrCoNi基合金优异的韧性，来自英国布里斯托尔大学的Dong Liu等人通过实验方法研究了CrCoNi基MEA和HEA损伤容限。如图1所示，CrCoNi和CrMnFeCoNi合金在20K下的实验测量抗裂曲线（R曲线）如图A和B所示，并与与环境温度（293K）、干冰温度（198K）和液氮温度（77K）下的R曲线进行比较，根据J值反向计算的相应应力强度断裂韧性值与温度的关系如图C和D所示，根据国际标准定义裂纹起始韧性K_JC和有效裂纹扩展的最大极限K_ss。这两种合金的R曲线随着温度的降低而逐渐升高，CrCoNi更为明显，在液氦温度附近，CrMnFeCoNi和CrCoNi都表现出特别高的断裂韧性值，在20 K下，CrMnFeCoNi合金的K_JC和K_ss值分别为235 MPa√m和383 MPa√m，而CrCoNi的相应值分别为415 MPa√m、544 MPa√m。如图2所示，20 K下的断裂表面没有任何脆性断裂特征的迹象，并通过微孔聚结显示出100%的韧性破坏。为了解释高韧性的来源并研究导致这些合金塑性变形的协同缺陷行为，采用断裂后EBSD分析和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）对塑性区内的严重变形区域进行分析，如图3所示，对于在20K下测试的CrCoNi合金，裂纹尖端附近塑性区内高度变形晶粒中存在广泛变形诱导纳米孪晶。图4中展示了在室温和20K下变形和断裂的CrCoNi样品显示出强烈的平面变形特征倾向，与室温下形成的纳米孪晶相比，在20K下测试的样品显示出纳米孪晶的减少趋势，并且纳米孪晶尺寸更小。在这些非常低的温度下，主要的平面特征是充满堆垛层错的变形带，以及几纳米的hcp相的“板条”，液态氦温度下变形模式的这种变化，是由这些合金中极低的堆垛层错能促进的，主要是断裂韧性提升的原因。低变形温度通过抑制热激活过程来限制位错运动和孪晶生长，在不断增加的应变水平下产生变形机制的协同作用——位错滑移、堆垛层错形成、变形纳米孪晶、相变诱导塑性（TRIP），延迟了颈缩的开始，促进了延展性。TRIP效应的作用在这里特别有趣，当在每个晶粒中引入一个板条时，有效晶粒尺寸减半，这将在应变硬化区域中通过Hall-Petch型机制诱导显著强化，尽管hcp相是脆性的，但这仍然有助于增强韧性，但其关键特征是其体积分数必须很小。作为低温结构材料，等原子、单相fcc CrCoNi基中熵和高熵合金，特别是CrCoNi合金，具有迄今为止报告的任何金属合金中最令人印象深刻的机械性能，它们在20K下的裂纹萌生和裂纹扩展断裂韧性值是有记录以来最高的（图5）。这一事实归因于它们的有效应变硬化能力，这是由它们在不断增加的应变下产生的变形机制的协同作用产生的。

图1 CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的J-R曲线和断裂韧性值随温度的变化。（A）CrMnFeCoNi HEA和（B）CrCoNi MEA的J积分随裂纹扩展∆a的变化。（C） CrMnFeCoNi HEA和（D）CrCoNi MEA的相应断裂韧性K值。

图2 CrCoNi基合金的显微组织和断口形貌，（A）CrCoNi和（B）CrMnFeCoNi合金的等轴单相组织。（C）293 K和（D）20 K下CrCoNi合金断口形貌。

图3 电子背散射衍射（EBSD）图，A）图像质量（IQ）图和（B）反极图（IPF）图，显示了CrCoNi合金在20K下的断裂路径和伴随的变形行为。

图4 293 K和20 K下断裂表面附近变形微观结构的HRTEM和4D-STEM表征，（A） -（B）HRTEM图像，分别显示具有堆垛断层和纳米孪晶的代表性变形带。（C） 4D-STEM扫描生成的虚拟暗场图像，（D） HRTEM图像显示了样品中的代表性变形带。（E） 在20 K样品中发现了纳米孪晶。（F）4D-STEM扫描生成的虚拟暗场图像。（H）HRTEM图像在20K下从[110]取向拍摄，（I）4D-STEM扫描生成的虚拟暗场图像。

图5 根据断裂韧性Kc与屈服强度σy的Ashby图。相关成果以“Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin”为题发表在Science上，论文第一作者为Dong Liu，通讯作者为Robert O. Ritchie。

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