【论文报道】恭喜李福山老师博士生韩成府在MSEA (IF=6.1)上发表论文！

供稿人：王灿灿

论文题目：Enhancing Charpy impact toughness by constructing metastable dual-phase structure in Fe-based medium entropy alloys

论文作者：Chengfu Han（韩成府） , Wenqiang Li , Zhenyu Du, Shaojie Wu, Ran Wei, Chen Chen, Tan Wang, Yongfu Cai, Fushan Li*

Journal：Materials Science and Engineering: A

DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.148895

【研究背景】

铁基中熵合金(Fe-MAs)因其优异的机械性能，已成为航空航天、低温运输船舶和汽车工业中具有巨大潜力的高性能结构材料。然而其面心立方(FCC)结构通常强度不足，难以满足极端条件要求。虽然双相结构和相变诱导塑性(TRIP)效应可增强性能，但这些合金在低温冲击载荷下的断裂机制，尤其是 TRIP 效应所起的作用，仍复杂不明。本研究通过设计对比两种Fe-MA 在低温下的冲击行为，旨在阐明相组成、变形引起的微观结构演化和低温下吸收冲击能量的能力之间的基本关系，促进开发具有优化相结构的先进Fe-MEA，用于需要具有卓越动态承载能力的合金的低温工程应用。

【成果速览】

图1 XRD图谱和EBSD结果：（a）XRD图谱，（b）和（c）Ni18合金和Ni13合金的EBSD相分布图，以及（d）晶粒尺寸统计直方图

图2 单相Ni18合金TEM观察结果：（a）BF图像，（b）高角度环形暗场（HAADF）图像;（c）元素分布图，（d）中S1区的SAED模式，（e）HAADF图像，（f）（e）区S2的SAED模式

图3 双相Ni13合金的TEM观察结果：（a）BF图像，（b）HAADF图像，（c）HAADF图像及其相应的元素分布图，（d）和（e）S1和S2区的SAED图案

图4 单相Ni18和双相Ni13合金在298 K和77K下的拉伸应力-应变曲线

图5 力-位移和能量-位移曲线：（a1）Ni18合金在298 K，（a2）Ni18合金在77 K，（b1）Ni13合金在298 K，（b2）Ni13合金在77 K

图6 298 K和77 K冲击断裂试样的宏观和微观组织：（a）-（b）Ni18合金，（c）-（d）Ni18合金

图7 单相Ni18合金冲击断裂试样TEM观测结果：（a）-（c）298 K，（d）-（f）77 K

图8 双相Ni13合金冲击断裂试样TEM观测结果：（a）-（b）298 K，（c）-（e）77 K

图9 单相Ni18合金冲击断裂试样的宏观形貌和EBSD相分布图结果：（a）298 K，（b）77 K，（a1）和（a2）298 K，（b1）和（b2）77 K

图10 双相Ni13合金冲击断裂试样的宏观形貌和EBSD相分布图结果：（a）298 K，（b）77 K，（a1）-（a3）298 K，（b1）-（b3）77 K

图11 夏比冲击断裂过程中单相Ni18合金和双相Ni13合金的组织变化示意图

图12 （a）冲击吸收能分布图（以Ni18合金在298 K下的曲线为例），（b）能量分布统计分析结果

图13 单相Ni18和双相Ni13合金在298 K和77K下的冲击韧性值

图14 （a）维氏硬度测试方法示意图，（b）单相Ni18和双相Ni13合金的维氏硬度曲线

【结论与展望】

本研究系统研究了单相FCC（Fe57Ni18Cr15Si7Al3）和双相FCC+BCC（Fe62Ni13Cr15Si7Al3）Fe-MEA在298 K和77 K下的夏比冲击行为和断裂机理。主要结论总结如下：

（1）TMP对Ni18（单相）产生了明显的微观结构特征和 Ni13（双相）合金。Ni18合金具有完整的FCC基体（100%），含有B2沉淀物和Cr₅Si₃金属间化合物，而Ni13合金具有双相结构，包括约75%的FCC相和25%的BCC相以及纳米级沉淀物。两种合金的晶粒细化程度相似，Ni18和Ni13合金的平均晶粒尺寸分别为1.6 μm和1.7 μm。

（2）与单相Ni13合金相比，双相Ni13合金表现出优异的冲击韧性，在298 K和77 K时的夏比冲击能分别为27.6 J和26.6 J，而Ni18合金分别为13.5 J和10.9 J。值得注意的是，这两种合金在没有任何 DBT 的情况下都保持了良好的冲击延展性。成像分析表明，裂纹扩展能占总冲击能的70%以上，确立了裂纹扩展能在控制Fe-MEA抗断裂性能方面的主导地位。

（3）两种合金在冲击载荷作用下的变形机理存在显著差异。双相Ni13合金通过多种机制表现出增强的变形能力：在298 K时，它会产生SF、DT和有限的相变;在 77 K 时，它会产生高密度 SF 网络、大量 DT 和大量相变。对裂纹扩展路径相变空间变化的分析表明，相变发生在缺口根裂纹尖端处，随后逐渐衰减穿过裂纹尖端区域到达中心裂纹区。