《European Journal of Mechanics - A/Solids》：Mechanistic insights into heterogeneous interface-driven deformation patterns and strengthening mechanisms in harmonic-structured CoCrFeMnNi high-entropy alloys
编辑推荐：
高熵合金谐波结构材料通过机械研磨和等静压成型制备，原位拉伸与晶体塑性有限元模拟表明异质界面处位错积累和剪切带形成显著提升加工硬化率，壳层界面密度与加工硬化率呈线性正相关，为异质结构材料设计提供理论支撑。
张勇|王永吉|贾云飞|张哲|袁若飞|卢铁文|张先成|涂善通
教育部压力系统与安全重点实验室，华东理工大学机械与动力工程学院，上海，200237，中国
摘要
由于具有优异的机械性能，高性能金属结构材料在各种工业应用中得到了越来越广泛的应用。理解加载过程中的机械响应和强化机制对于优化这些材料至关重要。在本研究中，制备了一系列具有不同壳层比例的谐波结构CoCrFeMnNi高熵合金（HEAs），这些合金展现了高强度和延展性的卓越组合。通过原位拉伸试验和晶体塑性有限元建模（CPFEM）研究了变形模式的变化和各种强化机制。结果表明，谐波结构中核心区域与壳层区域之间的协同作用显著提高了材料的强度和延展性。位错主要在核心区域与壳层区域之间的异质界面处积累，以及密集且稳定的剪切带的存在，有助于额外的应变硬化和延展性的提高。对谐波结构拓扑的强化机制和粗晶（CGs）中的异质变形诱导（HDI）硬化效应进行了定量评估。此外，实验数据和参数分析表明，HS HEAs中异质界面的密度几乎与应变硬化率呈线性增长。这些发现为HS HEAs的变形和强化机制提供了关键见解，为未来设计具有优化机械性能的先进异质结构材料奠定了坚实的基础。
引言
航空航天、海洋和汽车行业的快速发展迫切需要高性能金属材料。在关键机械性能中，强度和延展性是决定材料服役性能的关键参数。然而，这些性能往往是相互排斥的，这在材料设计中构成了重大挑战。因此，在不显著牺牲延展性的前提下提高材料强度是一个关键目标。传统方法，如合金强化（Wang等人，2023年）和微观结构优化（Wang等人，2002年；Wu等人，2015年；Zhang等人，2024a年），已被证明可以有效提高金属材料的性能，并为未来发展提供了宝贵的见解。
高熵合金（HEAs）是一类由多种主要元素组成的新型材料，它们作为克服强度-延展性权衡问题的有希望的解决方案而出现（Soto等人，2020年；Tirunilai等人，2020年）。HEAs中独特的晶格畸变（Chaudhary等人，2023年；Lee等人，2018年）、缓慢扩散（Tsai等人，2013年）以及所谓的“混合效应”（Pickering和Jones，2016年）对其机械行为有着深远的影响。当前HEAs的设计策略利用了它们复杂的多元原子结构。Lee等人（2019年）通过引入7.5原子百分比的铝，使CoCrNi合金的屈服强度从400 MPa提高到了680 MPa。Tirunilai等人（2025年）证明等原子比的VMnFeCoNi合金可以在不依赖变形孪晶的情况下实现高强度和延展性的优异组合，将其优异的加工硬化行为归因于强晶格畸变引起的平面位错滑移和可能的短程有序。
除了合金化之外，微观结构设计也被认为是一种有效的方法，可以诱导各种强化和增韧机制，例如软硬域中的应变分配（Zhang等人，2021年）、异质变形诱导（HDI）硬化（Wu等人，2015年）和应变局域化（Fan等人，2017年）。例如，Xiang等人（2022年）在TiZrNbTa HEA中引入了粗晶纯Ti，设计出了双峰结构，使得压缩屈服强度提高了2.6倍。同样，Fan等人（2020年）开发了纳米层状NiFeCoCrAlTi HEAs，实现了超过2 GPa的屈服强度和16%的均匀拉伸延展性。
谐波结构（HSs）代表了异质结构设计的一种新颖方法。这些结构具有粗晶（CGs）和超细晶（UFGs）的三维分布，可以通过精确控制机械铣削和烧结工艺来定制（Ameyama等人，2022年；Shi等人，2023年；Zhang等人，2015年）。Zhang等人（2022b）证明，HS和HEAs的结合为解决强度-延展性权衡问题提供了一个坚实的基础，值得进一步研究其背后的变形机制。
尽管在制备HSs方面取得了进展，但对它们的强化机制的定量分析仍然有限。有限元建模为在微观结构水平上研究机械响应提供了强大的工具。例如，Louca等人（2024年）使用晶体塑性建模定量研究了晶粒级别的滑移行为，并发现相邻晶粒之间的机械约束可以激活硬滑移系统并诱导显著的硬化（Zhang等人，2018年）。Herath等人（2024年）证明，软硬晶粒之间的兼容性约束可以延迟软晶粒的屈服，从而通过晶界变形协调来增强其强度。Karthik等人（2022年）将梯度结构CoCrFeMnNi HEAs的优异性能归因于几何必要位错（GNDs）和HDI应力的演变。Gan等人（2023年）证明了现有纳米孪晶在缓解局部应变和促进CoCrNi合金均匀变形中的作用。Du等人（2020年）发现，异质界面处的大局部拉应力和剪切应力显著增强了异质结构Al3Ti3 MEAs的应变硬化。
对于HSs，有序的空间排列和可控的异质界面密度确保了优异的强度-延展性组合。然而，当前的模型主要集中在应力集中和应变分散效应上，往往忽略了异质界面处的机械不匹配。为了填补这一空白，结合位错滑移本构方程和软硬域之间相互作用的晶体塑性有限元模型（CPFEM）对于研究HS HEAs的变形行为和强化机制至关重要。此外，实验结果和模拟结果的整合可以为HS HEAs的机械行为提供全面的见解，为未来的微观结构设计提供宝贵的指导。
在本研究中，使用SPS工艺制备了高性能HS CoCrFeMnNi HEAs。采用改进的晶体塑性本构模型来描述它们的变形行为。将原位实验和模拟结合起来，分析单轴拉伸变形过程中的各种强化机制。从宏观和微观角度量化了HS的HDI强化效应，并进行了参数分析，以评估不同异质界面密度对HS HEAs应变硬化率的影响。
本文的结构如下：第2节描述了材料制备、实验程序和晶体塑性本构模型。第3节介绍了HS CoCrFeMnNi HEAs的机械性能，并验证了CPFEM。第4节结合实验和模拟方法来分析机械响应和强化机制。最后，第5节提供了总结、结论和未来研究的方向。
实验准备
实验准备
本研究中使用了通过气体雾化法制备的CoCrFeMnNi HEA粉末。初始粉末的粒径范围为45至105 μm。为了在HS CoCrFeMnNi HEAs中产生UFG结构，在粉末冶金之前进行了机械铣削处理。初始粉末分别以200 r/min的速度进行了40小时、60小时、80小时和100小时的行星球磨（球粉比为10:1）。磨削后，通过SPS工艺对粉末进行了致密化（Zhang等人，2024d）。
材料制备和微观表征
图1显示了不同机械铣削时间下烧结CoCrFeMnNi HEAs的微观结构。从图1b可以看出，由初始粉末烧结的样品具有CG结构。相反，从图1c–f可以清楚地看到，由磨削粉末烧结的样品具有双峰粒径分布。随着铣削时间的增加，UFG区域（暗区）逐渐增大。此外，注意到UFG区域呈现出网络状的核心-壳层结构。
讨论
如上所述，HS CoCrFeMnNi HEAs展现了优异的机械性能。因此，我们的重点将是研究HSs引入的多种强化机制，并建立微观结构参数与强化效果之间的定量关系。在第4.1节中，通过原位拉伸实验和CPFEM比较了拉伸加载过程中微观结构的变形模式和塑性应变演变。在第4.2节中，我们
结论
本研究成功地使用机械铣削和SPS制备了具有不同壳层比例的等原子比CoCrFeMnNi HEAs。具有设计结构的HEAs展现了高强度和高延展性的卓越组合，这归因于合金成分和定制的微观结构。通过原位拉伸试验和CPFEM研究了变形行为并量化了强化机制。主要发现总结如下：
作者贡献声明
张勇：撰写——原始草稿，验证，软件，方法论，研究，正式分析，数据管理。
王永吉：撰写——审阅与编辑，可视化，方法论，研究，数据管理。
贾云飞：撰写——审阅与编辑，项目管理，资金获取。
张哲：撰写——审阅与编辑，资源，方法论。
袁若飞：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，正式分析。
卢铁文：撰写——审阅与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作部分得到了国家自然科学基金（52222505、52575174和52075368）、上海市自然科学基金（23ZR1415500）、上海市教育委员会以及国家重点研发计划（2022YFC3004501）的支持。
