【摘 要】
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高熵合金是由四种或四种以上主要元素组成的多主元合金,自问世以来,就凭借其高强度、高塑性、耐腐蚀性等优异的性能引起了广泛关注。最初高熵合金设计遵循着等摩尔比的原则,通过追求最大构型熵以达到设计稳定无序的单相固溶体的目标。但是随着高熵合金领域的飞速发展,单相高熵合金在强韧化等方面的发展却陷入瓶颈。同时,近期研究发现除混合熵外,层错能也对高熵合金的相结构、显微组织及力学性能等方面有显著影响。通过改变合金
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高熵合金是由四种或四种以上主要元素组成的多主元合金,自问世以来,就凭借其高强度、高塑性、耐腐蚀性等优异的性能引起了广泛关注。最初高熵合金设计遵循着等摩尔比的原则,通过追求最大构型熵以达到设计稳定无序的单相固溶体的目标。但是随着高熵合金领域的飞速发展,单相高熵合金在强韧化等方面的发展却陷入瓶颈。同时,近期研究发现除混合熵外,层错能也对高熵合金的相结构、显微组织及力学性能等方面有显著影响。通过改变合金元素的种类和含量,就可以调控合金层错能及相稳定性,进而引入更多组织缺陷并诱发形变孪晶、马氏体相变等多种变形机制,最终使合金获得突出的综合力学性能。这种通过设计亚稳相来改善合金力学性能的理念被称为“亚稳工程”。Fe-Mn-Co-Cr系高熵合金作为一种典型的亚稳高熵合金体系,其显微组织包含基体面心立方结构（FCC）相和密排六方结构（HCP）-马氏体相,其中FCC相的稳定性主要与Mn元素的含量相关。随着Mn含量的降低,系统层错能降低,FCC相稳定性下降,在应力作用下激活切变式马氏体相变（FCC→HCP）并引入界面硬化等强化机制,可实现强度-塑性的同时提升。虽然目前已经有很多学者从实验表征的角度分析了 Fe-Mn-Co-Cr体系亚稳高熵合金在室温拉伸时的组织演变规律与强韧化机理,但是关于高熵合金中马氏体相变的热力学参量计算的研究却鲜有报道。此外,Fe-Mn-Co-Cr体系亚稳高熵合金在低温77K下的力学性能及变形机制也有待深入探究。本文选用Fe60Mn20Co10Cr10高熵合金为研究对象,通过合适的热处理工艺得到具有不同显微组织的合金样品,分别研究在室温和低温准静态拉伸下的组织演变、力学性能及其内在变形机制。主要研究结果如下:（1）铸态Fe60Mn20Co10Cr10高熵合金经过均匀化退火及温轧后,分别在700、800、900℃退火30min,得到三种不同再结晶状态的合金样品,其显微组织中均包含FCC基体相和片层状HCP相;在室温及低温准静态拉伸试验中,该合金表现出了连续的应变硬化能力和优异的强塑性结合特征。（2）采用规则固溶体混合模型计算了室温下Fe60Mn20Co10Cr10高熵合金FCC→HCP相变摩尔吉布斯自由能及层错能分别为ΔGγ→ε=-79.9J/mol和Γsf=15.3mJ/m2,并分析了合金成分演变过程中构型熵与层错能的关系,发现随着合金主元数目的增加,合金体系的层错能呈现下降趋势,说明多主元设计有利于降低合金层错能。（3）室温条件下,变形初期FCC相中以位错滑移为主要变形机制,逐渐形成层错和高密度位错墙等晶体缺陷,阻碍位错运动;随着应变增大,激活了 FCC→HCP马氏体相变,两相间动态分配应变,使合金具有持续且稳定的应变硬化能力;在变形后期,HCP相层片变厚且内部位错密度逐渐增大,位错塞集明显,最终导致应力集中并发生断裂。（4）低温条件下,该合金具有相比于室温下更低的层错能,层错密度增大,为HCP相形核提供了更多的形核位点,加快HCP相形核速率;但随着HCP相体积分数的急剧增加,FCC相消耗过快,两相间难以及时分散应力,HCP-马氏体相承担了主要的塑性变形的任务,最终导致合金过早地发生断裂。
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