TRIP和TWIP的顺序激活作用使得在高温下，亚稳态FeMnCoCrN高熵合金能够实现多阶段硬化过程

《Materials Science and Engineering: A》：Sequential activation of TRIP and TWIP enables multi-stage hardening in a metastable FeMnCoCrN high-entropy alloy at elevated temperature

高温下FeMnCoCrN高熵合金多阶段应变硬化机制研究，揭示局部TRIP/TWIP激活与HCP→FCC逆转变协同作用，实现420 MPa强度与40%延伸率平衡。

　　

A. Tajik|A. Zarei-Hanzaki|Gunjick Lee|Seok Su Sohn|H.R. Abedi

伊朗德黑兰大学工程学院冶金与材料工程学院高性能工程材料热变形与热机械加工实验室

摘要

本文研究了在400°C下对亚稳态Fe₄₆Mn₃₅.₅Co₉Cr₉N₀.₅（原子百分比）高熵合金进行单轴拉伸试验时的变形行为。尽管由于堆垛错能的增加，变形诱导塑性（TRIP）和孪晶诱导塑性（TWIP）机制在高温下通常会被抑制，但铸态微观结构中的元素分布使得这些机制能够局部激活，从而实现连续的多阶段快速硬化（即“突变硬化”现象）。值得注意的是，在变形区域观察到了从体心立方（HCP）相到面心立方（FCC）相的局部剪切诱导转变，这一现象通过位错取向分析和极图分析得到了证实，这些分析结果偏离了理想的取向关系。HCP相比例在中期阶段的降低归因于剪切诱导的转变，这突显了高温下相变的高度动态性。TRIP、TWIP和相变过程的共同作用强调了局部相稳定性的重要性，并为提高亚稳态高熵合金（HEAs）在高温条件下的应变硬化能力提供了新的见解。

引言

具有亚稳态面心立方（FCC）结构的高熵合金（HEAs）因其通过精确调控堆垛错能（SFE）来激活非传统变形机制的能力而受到广泛关注[1],[2],[3],[4]。与传统合金不同，亚稳态HEAs可以设计成表现出变形诱导塑性（TRIP）和孪晶诱导塑性（TWIP）。通过战略性合金化微调SFE，这些机制能够显著增强应变硬化能力，从而在强度和延展性之间实现更好的平衡[5],[6],[7],[8],[9],[10]。

在各种设计策略中，特别是氮元素的间隙合金化，为控制FeMnCoCr基HEAs中的FCC相亚稳性提供了强有力的工具[11],[12],[13]。氮不仅稳定了亚稳态FCC基体，还促进了多种应变诱导的变形模式，使这些合金成为探索复杂塑性途径的理想平台。事实上，大量研究表明，在常温条件下，TWIP和TRIP机制能够同时发生，此时降低的SFE有助于形成机械孪晶或促进FCC向六方密排（HCP）马氏体的转变。这种多重变形模式的协同激活显著提高了材料的应变硬化能力和机械性能[14],[15],[16],[17]。

然而，这些机制在高温下的持续存在仍存在争议[18],[19],[20]。热激活过程（如位错移动性的增加、恢复能力的增强以及FCC相的稳定）通常会抑制TRIP和TWIP的发生，因为在温暖或高温变形条件下触发这些机制需要更高的临界应力[21],[22]。此外，在高温下，较低的应变率通常会促进动态恢复而非硬化，进一步降低了孪晶或应变辅助马氏体对塑性响应的贡献[23],[24]。因此，关于高温下TRIP和TWIP的同时或顺序激活现象的研究较少，它们在这种条件下的协同作用潜力也尚未得到充分探索。

最近对氮合金化的Fe₄₆Mn₃₅.₅Co₉Cr₉N₀.₅（原子百分比）间隙HEA（iHEA）的研究表明，该合金在室温下表现出优异的应变硬化行为，这主要得益于亚稳态FCC基体中逐渐形成的HCP马氏体[25],[26]。这些发现表明，通过间隙掺杂进行成分设计可以有效调控相的亚稳性，并扩展TRIP/TWIP机制发挥作用的范围。然而，这种亚稳性工程是否能在高温下维持复杂的多阶段硬化过程仍有待验证。

在本研究中，我们观察到在400°C拉伸变形过程中Fe₄₆Mn₃₅.₅Co₉Cr₉N₀.₅ iHEA表现出意外的多阶段硬化行为。与传统预期相反，该合金依次激活了TRIP和TWIP机制，并伴随着HCP向FCC的剪切诱导转变。这些动态且相互竞争的过程突显了局部相不稳定性和成分分布对亚稳态HEAs高温塑性调控的关键作用。这些发现为开发在技术相关温暖工作条件下具有优异机械性能的HEAs提供了新的设计策略。

实验方法

采用真空感应熔炼（VIM）技术在氩气保护下，使用纯度为99.99%的原料制备了氮合金化的Fe₄₆Mn₃₅.₅Co₉Cr₉N₀.₅（原子百分比，实际组成为Fe_45.8Mn_35.4Co_9.92Cr_8.74N_0.14（重量百分比）间隙高熵合金），随后通过两次连续的真空电弧重熔（VAR）循环来提高化学均匀性。合金的整体化学成分和元素分布通过电感耦合等离子体-光学发射光谱法（ICP-OES）和电子探针显微分析（EPMA）进行了检测。

结果与讨论

图1(a)显示了室温下和400°C下测试的铸态合金的真应力-对数应变关系，以及相应的加工硬化率（WHR）曲线。正如我们之前的研究[25],[26]所详述的，该合金在室温下表现出优异的机械性能，具有高延展性和显著的加工硬化能力。这种行为主要归因于凝固过程中Fe和Mn元素的分布

结论

经过亚稳性工程处理的FeMnCoCrN铸态HEA在400°C下表现出优异的温暖加工硬化特性，其极限抗拉强度约为420 MPa，总伸长率约为40%，显示出在温暖变形条件下的良好强度-延展性平衡。该合金表现出多阶段应变硬化响应，这一过程由不同变形机制的顺序激活所控制。

作者贡献声明

Hamid Reza Abedi：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。Seok Su Sohn：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究。Atefeh Tajik：撰写 – 初稿撰写，可视化处理，验证，软件应用，方法学研究，数据分析，概念构思。Gunjick Lee：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究。Abbas Zarei-Hanzaki：撰写 – 审稿与编辑，监督工作，概念构思

数据可用性

目前无法共享用于重现这些研究结果的原始数据/处理后的数据，因为这些数据仍属于正在进行的研究的一部分。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）提供支持（项目编号：2022R1A5A1030054）。