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摘 要：高熵合金指的是由多种主要元素组成的合金，由于高熵效应，使得其组织结构简单，且具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性等优异性能。强韧化机理对合金的设计及使用起到至关重要的作用，针对高熵合金国内外研究现状，对其强韧化机理进行了论述，包括多相结构强韧化、析出强韧化、细晶强韧化、固溶强韧化等。
关键词：高熵合金;强韧化;研究进展
“高熵合金”的概念由台湾学者叶均蔚在1994年提出[1]，高熵合金摆脱了传统合金的以一种金属元素为主的观念，是指含多种主要元素的合金，其中每个主要元素都具有高的摩尔分数，但不超过35%，因此没有一个元素能占有50%以上，这种合金是由多种元素集体体现而表现其特色[2]。一般认为，合金元素种类较多时容易产生金属间化合物，使合金性能变差。Gibbs相率认为n种元素的合金系统所能产生的平衡相的数目P=n+1，在非平衡凝固时形成的相数P>n+1。然而叶均蔚对高熵合金的研究却发现并非如此。他们发现高熵合金凝固后所得相数P远小于n+1，不仅不会形成数目众多的金属化合物，反而形成简单的结晶相甚至非晶质，使高熵合金具有广阔的应用空间。为了与传统合金有明显的区别，且充分发挥高熵高乱度的效应，一般定义高熵合金的主要元素种类5≤n≤13。对于每一种合金系统可设计成简单的等原子比合金，也可设计非等原子比合金，也可以添加次要元素改良合金性能。
合金的强韧化机理对其恰当使用起到举足轻重的作用，因此探索高熵合金新的制备方法、开展有关高熵合金相形成规律的研究，揭示高熵合金的组织转化机理及强韧化机理，并在理论指导下制备新型合金，弥补传统合金的不足并开发新的用途，具有重要的学术研究价值、实际应用价值及广泛的社会效益和经济效益。
目前有关高熵合金的研究还处于探索性阶段，越来越多的专家学者对高熵合金的元素组成、含量、制备工艺、组织性能等进行了研究，针对特定成分的高熵合金提出了强韧化机理，主要成果概述如下：
1 多相结构强韧化
G. A. Salishchev[3]等研究了Mn和V元素對CoCrFeNi系高熵合金组织结构及力学性能的影响。研究表明，CoCrFeNi合金和CoCrFeNiMn合金为FCC单相固溶体结构，CoCrFeNiV和CoCrFeNiMnV合金由相和FCC结构组成。合金的相组成与退火处理无关。V元素与其他合金元素的互溶性差，这是形成相和FCC结构的主要原因。合金的力学性能与相结构密切相关，CoCrFeNi合金和CoCrFeNiMn合金中的固溶体结构硬度不高但韧性很好，CoCrFeNiV和CoCrFeNiMnV合金中的相较硬，强度较高，但很脆。通过调整合金中FCC和相的体积分数可获得较高的强度与韧性结合。
高熵合金中元素的种类及含量的变化会造成合金相结构发生变化，形成多相结构，如FCC结构硬度较低，而BCC结构硬度较高，laves相、M2B相、相等均为硬质相，具有较高的强度。
2 析出强韧化
高杏燕[4]以CoCrCuFeNi系高熵合金为研究对象，研究了各元素含量变化对合金微观组织及相结构的影响，结果表明：除了CoCrCuFe0.5Ni和CoCrCuFeNi0.5高熵合金以外，CoCrCuFeNi系高熵合金平衡凝固组织均为典型的树枝晶，Cu元素偏聚于枝晶间，晶间析出了许多纳米级颗粒相，各元素含量变化时，纳米相的尺寸略有变化，并呈现出不同的形貌。元素种类多，凝固组织极易饱和，元素迟缓扩散效应造成了树枝晶间过饱和固溶体相的形成，导致了冷却过程中纳米相的析出。各元素含量及过冷度变化时，CoCrCuFeNi系高熵合金的相结构没有发生变化，均为简单的FCC固溶体。深过冷快速凝固时，CoCrCuFexNi及CoCrCuxFeNi系高熵合金分别呈现两种不同微观形貌：树枝晶和液相分离组织。研究表明，Cu含量越高，越易发生相分离，过冷度越大，相分离越明显。
3 细晶强韧化
通过激光快速加热作用使熔覆粉末瞬间熔化，而后在基体材料的快速冷却作用下，瞬间凝固，熔池中大量的晶粒来不及长大，形成细晶。或通过加入晶粒细化剂使晶粒变得细小。通过细化晶粒度、增大晶间表面积、增强晶粒间结合力，可使材料的强度和耐磨性均得到提高。同时晶粒细化可优化塑性和韧性。晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，在同一塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，有可能在断裂之前承受较大的变形量，即表现出较高的塑性。
4 固溶强韧化
固溶强化指合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的;但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。加入的合金元素越多，强化效果越大。
多组元合金的高混合熵效应能够在很大程度上有效抑制金属间化合物等复杂相的析出，有助于简单固溶体的形成。
5 结语
多主元合金表现出与传统合金不同的特性，发展潜力巨大，通过调节元素种类与含量不但可以开发出大量的高技术材料，还可以采用多种制备工艺来制作块材、涂层或薄膜材料，如可用于工具、刀具、模具;高尔夫球头打击面、马达的磁心、油压气压杆、高频变压器、磁头、磁盘、涡轮叶片、焊接材料、热交换器及高温炉的耐热材料、微机电材料、保护性或功能性涂层材料及设备修复材料等。
多主元合金具有丰富的应用潜能和广阔的应用前景。从而成为在材料科学和凝固态物理领域中继大块非晶之后一个新的研究热点。随着多主元合金的热处理、热加工工艺的日益成熟和完善，必将引发广泛的工业应用。在某些方面特别是特定环境下可代替传统合金，开辟一个新的合金时代。
参考文献：
[1]HSU C Y，SHEU T S，YEH J W.Effect of Iron Content on Wear Behavior of AlCoCrFexMo0.5Ni High-Entropy Alloys [J].Wear，2010，268：653-659.
[2]HUANG P K，YEH J W.Effects of Nitrogen Content on Structure and Mechanical Properties of Multi-Element （AlCrNbSiTiV） N Coating[J].Surface & Coatings Technology，2009，203：1891-1896.
[3]SALISHCHEV G A，TIKHONOVSKY M A，SHAYSULTANOV D G，et al.Effect of Mn and V on Structure and Mechanical Properties of High-Entropy Alloys Based on CoCrFeNi System[J].Journal of Alloys and Compounds，2014（591）：11-21.
[4]高杏燕.CoCrCuFeNi系高熵合金的凝固组织与性能研究[D].江苏科技大学，2014.
关键词：高熵合金;强韧化;研究进展
“高熵合金”的概念由台湾学者叶均蔚在1994年提出[1]，高熵合金摆脱了传统合金的以一种金属元素为主的观念，是指含多种主要元素的合金，其中每个主要元素都具有高的摩尔分数，但不超过35%，因此没有一个元素能占有50%以上，这种合金是由多种元素集体体现而表现其特色[2]。一般认为，合金元素种类较多时容易产生金属间化合物，使合金性能变差。Gibbs相率认为n种元素的合金系统所能产生的平衡相的数目P=n+1，在非平衡凝固时形成的相数P>n+1。然而叶均蔚对高熵合金的研究却发现并非如此。他们发现高熵合金凝固后所得相数P远小于n+1，不仅不会形成数目众多的金属化合物，反而形成简单的结晶相甚至非晶质，使高熵合金具有广阔的应用空间。为了与传统合金有明显的区别，且充分发挥高熵高乱度的效应，一般定义高熵合金的主要元素种类5≤n≤13。对于每一种合金系统可设计成简单的等原子比合金，也可设计非等原子比合金，也可以添加次要元素改良合金性能。
合金的强韧化机理对其恰当使用起到举足轻重的作用，因此探索高熵合金新的制备方法、开展有关高熵合金相形成规律的研究，揭示高熵合金的组织转化机理及强韧化机理，并在理论指导下制备新型合金，弥补传统合金的不足并开发新的用途，具有重要的学术研究价值、实际应用价值及广泛的社会效益和经济效益。
目前有关高熵合金的研究还处于探索性阶段，越来越多的专家学者对高熵合金的元素组成、含量、制备工艺、组织性能等进行了研究，针对特定成分的高熵合金提出了强韧化机理，主要成果概述如下：
1 多相结构强韧化
G. A. Salishchev[3]等研究了Mn和V元素對CoCrFeNi系高熵合金组织结构及力学性能的影响。研究表明，CoCrFeNi合金和CoCrFeNiMn合金为FCC单相固溶体结构，CoCrFeNiV和CoCrFeNiMnV合金由相和FCC结构组成。合金的相组成与退火处理无关。V元素与其他合金元素的互溶性差，这是形成相和FCC结构的主要原因。合金的力学性能与相结构密切相关，CoCrFeNi合金和CoCrFeNiMn合金中的固溶体结构硬度不高但韧性很好，CoCrFeNiV和CoCrFeNiMnV合金中的相较硬，强度较高，但很脆。通过调整合金中FCC和相的体积分数可获得较高的强度与韧性结合。
高熵合金中元素的种类及含量的变化会造成合金相结构发生变化，形成多相结构，如FCC结构硬度较低，而BCC结构硬度较高，laves相、M2B相、相等均为硬质相，具有较高的强度。
2 析出强韧化
高杏燕[4]以CoCrCuFeNi系高熵合金为研究对象，研究了各元素含量变化对合金微观组织及相结构的影响，结果表明：除了CoCrCuFe0.5Ni和CoCrCuFeNi0.5高熵合金以外，CoCrCuFeNi系高熵合金平衡凝固组织均为典型的树枝晶，Cu元素偏聚于枝晶间，晶间析出了许多纳米级颗粒相，各元素含量变化时，纳米相的尺寸略有变化，并呈现出不同的形貌。元素种类多，凝固组织极易饱和，元素迟缓扩散效应造成了树枝晶间过饱和固溶体相的形成，导致了冷却过程中纳米相的析出。各元素含量及过冷度变化时，CoCrCuFeNi系高熵合金的相结构没有发生变化，均为简单的FCC固溶体。深过冷快速凝固时，CoCrCuFexNi及CoCrCuxFeNi系高熵合金分别呈现两种不同微观形貌：树枝晶和液相分离组织。研究表明，Cu含量越高，越易发生相分离，过冷度越大，相分离越明显。
3 细晶强韧化
通过激光快速加热作用使熔覆粉末瞬间熔化，而后在基体材料的快速冷却作用下，瞬间凝固，熔池中大量的晶粒来不及长大，形成细晶。或通过加入晶粒细化剂使晶粒变得细小。通过细化晶粒度、增大晶间表面积、增强晶粒间结合力，可使材料的强度和耐磨性均得到提高。同时晶粒细化可优化塑性和韧性。晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，在同一塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，有可能在断裂之前承受较大的变形量，即表现出较高的塑性。
4 固溶强韧化
固溶强化指合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的;但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。加入的合金元素越多，强化效果越大。
多组元合金的高混合熵效应能够在很大程度上有效抑制金属间化合物等复杂相的析出，有助于简单固溶体的形成。
5 结语
多主元合金表现出与传统合金不同的特性，发展潜力巨大，通过调节元素种类与含量不但可以开发出大量的高技术材料，还可以采用多种制备工艺来制作块材、涂层或薄膜材料，如可用于工具、刀具、模具;高尔夫球头打击面、马达的磁心、油压气压杆、高频变压器、磁头、磁盘、涡轮叶片、焊接材料、热交换器及高温炉的耐热材料、微机电材料、保护性或功能性涂层材料及设备修复材料等。
多主元合金具有丰富的应用潜能和广阔的应用前景。从而成为在材料科学和凝固态物理领域中继大块非晶之后一个新的研究热点。随着多主元合金的热处理、热加工工艺的日益成熟和完善，必将引发广泛的工业应用。在某些方面特别是特定环境下可代替传统合金，开辟一个新的合金时代。
参考文献：
[1]HSU C Y，SHEU T S，YEH J W.Effect of Iron Content on Wear Behavior of AlCoCrFexMo0.5Ni High-Entropy Alloys [J].Wear，2010，268：653-659.
[2]HUANG P K，YEH J W.Effects of Nitrogen Content on Structure and Mechanical Properties of Multi-Element （AlCrNbSiTiV） N Coating[J].Surface & Coatings Technology，2009，203：1891-1896.
[3]SALISHCHEV G A，TIKHONOVSKY M A，SHAYSULTANOV D G，et al.Effect of Mn and V on Structure and Mechanical Properties of High-Entropy Alloys Based on CoCrFeNi System[J].Journal of Alloys and Compounds，2014（591）：11-21.
[4]高杏燕.CoCrCuFeNi系高熵合金的凝固组织与性能研究[D].江苏科技大学，2014.