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针对碳化物增强CoCrFeNi合金强度与韧性协同不足的问题，提出两步热机械加工法：先高温轧制后退火，再低温轧制并中温退火。该方法形成超细晶粒（平均0.84μm）、高密度位错及纳米碳化物，使合金屈服强度达925MPa，抗拉强度1127MPa，延伸率10.4%，较单步冷轧工艺提升强度同时保持较高韧性，为高性能结构材料开发提供新策略。
作者：梁世清|向伟|陈胜超|梅建峰|魏勤勤|罗国强|沈强
单位：武汉工业大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室，中国武汉 430070
摘要
CoCrFeNi多主元素合金具有优异的延展性，但其相对较低的屈服强度限制了其工业应用。引入碳化物可以增强合金的强度，但会显著降低延展性。对CoCrFeNi(TiC)0.2合金进行单步冷轧（厚度减少50%）和900℃退火处理后，屈服强度提高至760 MPa，但同时增加了裂纹敏感性，再结晶程度降低，导致强度提升效果有限。本文提出了一种通过两步轧制和热处理工艺在碳化物增强型CoCrFeNi(TiC)0.2合金中形成高含量超细再结晶晶粒的异质微观结构，从而实现强度和延展性的协同提升。通过热轧-高温退火-冷轧-中温退火处理，合金中形成了超细再结晶晶粒、高密度位错和纳米碳化物沉淀。合金强度通过晶界强化、位错强化和沉淀强化得到同时提升。经过650℃下的两步轧制和退火处理后，CoCrFeNi(TiC)0.2合金的再结晶体积分数达到82.5%，平均晶粒尺寸为0.84 μm，位错密度为1.45 × 1014 m?2。其屈服强度为925 ± 5 MPa，抗拉强度为1127 ± 5 MPa，延伸率为10.4%，表现出比以往报道的CoCrFeNi基合金更高的屈服强度与比强度比。本研究提出了一种通过多步热机械处理调节碳化物增强合金异质结构的策略，为高性能结构材料的发展提供了理论基础。
引言
随着航空航天和新能源产业的快速发展[1]、[2]、[3]、[4]，对高强度和延展性的结构材料的需求日益迫切。然而，传统合金在强度和延展性之间存在众所周知的权衡。多主元素合金（MPEAs）在高熵效应下表现出优异的综合性能，其中CoCrFeNi基合金得到了广泛研究[5]、[6]、[7]、[8]。尽管具有面心立方结构的CoCrFeNi合金具有优异的延展性[9]、[10]、[11]，但其较低的屈服强度（约160 MPa）限制了其工业应用[12]、[13]、[14]、[15]。
研究表明，引入硬质碳化物可以有效增强CoCrFeNi合金的性能[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。通过在CoCrFeNi合金中添加分散均匀的SiC、WC、NbC和TiC沉淀物[21]、[22]、[23]、[24]，第二相颗粒作为异质形核的核心，促进了晶粒细化并阻碍了位错移动，从而实现了强度和延展性的协同提升。例如，将NbC添加到CoCrFeNi合金中后，形成了纳米级的NbC沉淀物，屈服强度提高了52.9 MPa（从550 MPa提高到391.1 MPa）[23]。向CrMnFeCoNi合金中添加TiC后，抗拉强度从550 MPa提高到了723 MPa[24]。然而，仅依靠第二相强化机制来提高合金强度存在局限性，因为碳化物带来的显著强化效果与其体积分数不成正比[25]。此外，第二相颗粒带来的晶粒细化程度有限，虽然提高了合金的强度，但也降低了其延展性。
由于铸态合金通常具有粗大的晶粒，通过热机械处理形成细小的再结晶晶粒可以有效提高合金的强度和延展性[26]、[27]。对Al0.1CoCrFeNi合金进行冷轧和中温退火处理后，合金中含有许多细小的再结晶晶粒和未恢复的高密度粗大晶粒[28]。通过晶界强化和位错强化，屈服强度、抗拉强度和延伸率分别提高到了711 MPa、928 MPa和30.3%。热机械处理形成的异质结构为实现碳化物增强合金的强度和延展性提供了有效途径。我们之前对CoCrFeNi(TiC)0.2合金进行了单步冷轧（厚度减少50%）和900℃退火处理[29]，与铸态合金相比，屈服强度从330 MPa显著提高到了760 MPa，抗拉强度从700 MPa提高到了1100 MPa，而延伸率仅降低了3%。然而，碳化物的引入增加了合金的脆性，当冷轧量增加时会导致合金开裂和失效，因此碳化物增强型MPEAs的再结晶区域和强度提升受到限制。尽管最近在合金设计方面（包括仿生学和机器学习方法）取得了进展，旨在获得更优异的性能[30]、[31]，但微观结构仍然是决定性因素[32]、[33]。然而，传统的碳化物增强合金热机械处理方法往往会恶化强度-延展性的权衡[34]、[35]。为了解决这一问题，我们提出的新型两步轧制和热处理工艺有效缓解了裂纹问题，并实现了稳定的异质结构，从而实现了强度和延展性的协同提升。
本研究在碳化物增强型CoCrFeNi(TiC)0.2合金中通过两步轧制和热处理工艺形成了高含量超细再结晶晶粒的异质微观结构，实现了强度和延展性的协同提升。经过热轧-高温退火-冷轧-中温退火处理后，合金中形成了大量的超细再结晶晶粒、高密度位错和纳米碳化物沉淀，从而同时提高了合金强度。经过650℃下的两步轧制和退火处理后，CoCrFeNi(TiC)0.2合金的再结晶体积分数达到了82.5%，高于单步冷轧处理的43.1%，屈服强度为925 ± 5 MPa，抗拉强度为1127 ± 5 MPa，延伸率为10.4%，表现出比以往报道的CoCrFeNi基合金更高的屈服强度与比强度比。
两步热机械处理工艺
使用纯度高的Co、Cr、Fe、Ni和TiC粉末（摩尔比为1:1:1:1:0.2），在高纯度氩气环境下通过电弧熔炼技术制备了铸态CoCrFeNi(TiC)0.2合金。为确保成分均匀性，合金至少重新熔炼了五次，最终获得了尺寸为70 mm × 35 mm × 10 mm的板材。然后对铸态合金进行了热机械处理（图1）：首先在1050 ℃下进行40%的热轧，随后在900 ℃下退火1小时，再进行60%的...
拉伸性能
图2(a)展示了两步轧制和退火处理后的CoCrFeNi(TiC)0.2合金的真实拉伸应力-应变曲线。作为对比，也列出了铸态合金的应力-应变曲线。铸态CoCrFeNi(TiC)0.2合金的屈服强度为204 ± 3 MPa，抗拉强度为532 ± 3 MPa，断裂延伸率为16.2%。经过热机械处理后，CoCrFeNi(TiC)0.2合金的屈服强度和抗拉强度显著提高。
异质结构的形成
由热轧后高温退火和随后冷轧组成的两步热机械处理过程，比传统的单步冷轧工艺更有效地促进了CoCrFeNi(TiC)0.2合金的广泛再结晶和超细再结晶晶粒的形成。在单步重冷轧过程中，虽然高密度的TiC颗粒通过钉扎位错有效储存了应变能量，但也增加了...
结论
本研究在碳化物增强型CoCrFeNi(TiC)
0.2合金中通过两步轧制和热处理工艺形成了高含量超细再结晶晶粒的异质微观结构，实现了强度和延展性的协同提升。
- (1)
经过两步热机械处理后的CoCrFeNi(TiC)0.2合金由FCC基体相、粗大的MC碳化物以及少量的细小MC和M23C6沉淀物组成，形成了异质结构。
CRediT作者贡献声明
向伟：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究、概念化。梅建峰：资源获取、方法论、研究。陈胜超：资源获取、研究。罗国强：监督、资金申请。魏勤勤：验证、监督、资源获取、资金申请。沈强：撰写 – 审稿与编辑、监督。梁世清：撰写 – 原初草稿、方法论、研究、数据分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了湖北省自然科学基金（项目编号：2024AFB733）、湖北省青年拔尖人才培育计划和国家自然科学基金（项目编号：52401163）的支持。
