【论文报道】恭喜陈辰老师在Materials Characterization (IF=5.5)上发表论文！

供稿人：孙中窑

论文题目：Effects of Cu/Si ratio on microstructure and mechanical properties of Cr-Fe-Ni-Al-Si-Cu high entropy alloys

论文作者：Chen Chen, Shuai Hu, Sining Li, Hongbo Cao, Xuefeng Li, Ziming Chen, Jian Feng, Jingcui Ye, Wanwan Sun, Ran Wei, Tan Wang, Shaojie Wu, Min Tian, Shaokang Guan, Fushan Li, Yongfu Cai*, Jiajia Tian*

Journal：Materials Characterization

DOI：https://doi.org/10.1016/j.matchar.2025.115321

【研究背景】

    “高熵合金”为高性能金属材料设计开创了新纪元，异质结构铸态高熵合金有优异力学性能。以往多聚焦细片层/侧板微观结构实现高性能，但研究表明“粗化”在一定条件下对综合力学性能非负面因素。为解决构建不同相合理分布以优化强度和韧性平衡的原理及机制问题，需设计能可控形成不同异质结构的铸态高熵合金。Si和Cu对多种合金微观结构和力学性能有重要作用，可作为调控铸态（Cr, Fe, Ni, Al）基高熵合金FCC+BCC异质结构的候选元素。

【成果速览】

      本文设计了一系列具有不同Cu/Si比（0.2、1、2）的铸态FCC+BCC异质结构CrFeNiAl₀.₂₈Si₀.₁₂₋xCux高熵合金（HEAs），以调控组成相的分布，平衡强度-塑性协同性。研究发现，随着Cu/Si比的增加，FCC相从细小侧板显著粗化为大尺寸枝晶，BCC相分布更稀疏、连接减少，相邻FCC与BCC相的取向关系（OR）明显偏离K-S OR。将Cu/Si比从0.2提高到2，该系列铸态HEAs的均匀伸长率（UE）从15.6%±2.5%提高到29.8%±2.2%，屈服强度（YS）从583±34MPa降至436±32MPa，极限抗拉强度（UTS）从1039±30MPa降至902±32MPa。值得注意的是，Cu/Si比为2的合金在强度相近时，其强度与塑性乘积（YS×UE、UTS×UE和(YS+UTS)/2×UE）比Cu/Si比为1的合金普遍高出40%以上，而Cu/Si比为1和0.2的合金间该值差异较小（<11%）。这一现象可能与不同相中位错的适当变形分布和聚集有关。本研究表明，在含适当尺寸FCC相的异质结构HEAs中，避免BCC相连接有利于优化力学性能，推动该系列铸态HEAs的进一步发展。

【数据概况】

图1 A0.2、A1和A2的XRD图谱

图2（a）A0.2、（B）A1和（c）A2的低放大率背散射电子图像;（a）A0.2、（B）A1和（c）A2的高放大率背散射电子图像;（g）A0.2、（h）A1和（i）A2 EDS结果

图3（a）A0.2、（B）A1和（c）A2的相图;（d）A0.2、（e）A1和（f）A2的IPF图像;（g）A0.2、（h）A1和（i）A2的相邻FCC和BCC相根据理论K-S取向关系的取向分布（图中虚线标记了7°的偏差值）

图4（a）暗场图像（插图是侧板中的FCC相和侧板间区域中的BCC+B2相的SAED图案），（B）根据超晶格斑点的B2相的暗场图像，（c）HAADF-STEM图像和（d）A0.2的组成元素的相应EDS图

图5（a）A0.2、A1和A2的典型工程拉伸应力-应变曲线及其（B）加工硬化曲线，（c）屈服强度（YS）、（d）极限抗拉强度（UTS）和（e）均匀延伸率（UE）及其（f）YS×UE、（g）UTS×UE和（h）（YS+UTS）/2×UE

图6（a）A0.2、（B）A1和（c）A2的低倍断口，（a）A0.2、（B）A1和（c）A2的高倍断口（插图为蜂窝状结构的详细形貌）

图7（a）A0.2、（B）A1和（c）A2断裂侧面

图8 A0.2的KAM图，塑性为（a）0%（铸态）和（B）10%; A0.2中BCC相的KAM图，塑性为（c）0%（铸态）和（d）10%; A0.2中BCC相的KAM分布，塑性为（e）0% A0.2中FCC相的KAM图，其中塑性为（g）0%（铸态）和（h）10%; A0.2中FCC相的KAM分布，塑性为（i）0%（铸态）和（j）

图9 A1的KAM图（a）0%（铸态）和（B）10%塑性; BCC相的KAM图A1中塑性为（c）0%（铸态）和（d）10%时BCC相的KAM分布; A1中塑性为（e）0%（铸态）和（f）10%时FCC相的KAM分布; A1中塑性为（g）0%（铸态）和（h）10%时FCC相的KAM分布; A1中塑性为（i）0%（铸态）时FCC相的KAM分布

图10 A2的KAM图，塑性为（a）0%（铸态）和（B）10%; BCC相的KAM图在A2中，塑性（c）0%（铸态）和（d）10%; A2中BCC相的KAM分布，塑性为（e）0%（铸态）和（f）10%;塑性（g）0%的A2中FCC相的KAM图（i）0%（铸态）和（j）10%塑性的A2中FCC相的KAM分布

图11（a）A0.2、（B）A1和（c）A2的BCC相的IPF图像;（d）A0.2、（e）A1和（f）A2的FCC相的IPF图像;相邻FCC和BCC相之间的相边界（表示相邻BCC和FCC相之间的OR与理论K-S OR的偏差值的颜色：绿色：≤7°，深蓝色：7~30°，粉红色：（g）A0.2、（h）A1和（i）A2 ≥30°）

图12（a）A0.2、（B）A1和（c）A2在不同温度下的相体积分数;（d）快速凝固A0.2、A1和A2的XRD图谱

图13 A2在不同放大倍数下变形量为10%的明场图像

【结论展望】

       本文系统地研究了一系列不同Cu/Si比（0.2，1和2）的铸态CrFeNiAl0.28Si0.12-xCux高熵合金的显微组织和力学性能。主要研究结果如下：（1）该系列HEAs由面心立方（FCC）和体心立方（BCC）相组成，B2纳米粒子分散在体心立方（BCC）相中，Cu/Si比的增加使面心立方（FCC）相由侧板状结构转变为枝晶结构。

（2）这种成相过程的变化可能是由于Cu对该系列HEA中FCC相的形成有促进作用，导致成相过程从BCC-FCC固态相变转变为主要形成FCC相，这也有利于FCC相比例的增加和分散BCC相的形成。

（3）随着Cu/Si比从0.2增加到2，均匀延伸率（UE）从15.6%±2.5%增加到29.8%±2.2%，而屈服强度（YS）从583±34MPa下降到436±32MPa，抗拉强度（UTS）从1039±30 MPa下降到902±32MPa，但当Cu/Si比为2时，YS×UE、UTS×UE和（YS+UTS）/2×UE值都有很大提高。

（4）这种力学行为上的现象可能是由于异质结构中连续粗大的FCC相和偏聚的BCC相的结合，有利于降低BCC相的应力集中，增加应力分布，增强FCC相的变形能力，避免BCC相在变形早期断裂，在保持良好强度的同时，显著提高塑性。