一作兼通讯发《Nature》：双功能纳米析出相！同时提高合金强塑性
通常，具有面心立方(fcc)结构的中、高熵合金，具有较高的拉伸延展性和优良的韧性，但室温强度较差。尽管可以通过晶界孪晶界、溶质原子和析出相等阻碍位错运动，提高其强度。但与此同时会降低延展性，且析出相也会阻碍相变。
在此，来自美国橡树岭国家实验室的Ying Yang & Easo P. George等研究者使用Fe-Ni-Al-Ti中熵合金作为模型材料，获得的双重功能纳米析出相可以同时提升合金的拉伸强度和均匀延伸。相关论文以题为“Bifunctional nanoprecipitates strengthen and ductilize a medium-entropy alloy”发表在最新一期Nature上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03607-y
研究者的策略是采用以下两种假设的合金来说明的。图1a所示，合金Α1在高温下为单相fcc(奥氏体)，当淬火到室温时，它发生bcc-马氏体转变，如图1b。合金Α2在高温下具有两相组织(图1c)，由分布在fcc-奥氏体基体中的析出相组成，其成分与合金Α1相同。因此，在没有析出相的情况下，A2基体在淬火时也应发生bcc-马氏体的转变。然而，如图1d所示，由于析出相的空间限制，其马氏体相变将被抑制，从而形成亚稳的fcc-奥氏体基体。
图1 FNAT-m-47h和FNAT-47h合金的组织和拉伸性能。
为了实现以上这些合金，研究者设计并制备了两种中等熵合金(MEA)成分。首先是Α2合金，其成分为Fe-32.6Ni-6.1Al-2.9Ti (at%)，在其主要成分和时效时间(47h)后记为FNAT-47h。热力学计算表明，在1100°C固溶和700°C时效47 h后，该合金的平衡相应该是fcc基体，其成分近似为Fe-23Ni-3.5Al-0.5Ti (at%)，含有Ni3Al(L12)型析出相。其次是Α1合金，在700℃下与FNAT-47h合金基体成分相同，记为FNAT-m-47h。这两种合金都以相同的方式加工和热处理。如预期的那样，FNAT-m-47h合金在室温(约21°C)下淬入水中后几乎完全形成马氏体(图1e)；小角中子散射(SANS)测量没有发现纳米析出相的证据(图1f)。
SANS测量(图1h)证实了约24 vol%的纳米析出相的存在，平均半径为10.4 nm，数量密度为4.3 ×1022 m−3。因此，FNAT-47h的主要fcc基体必然是由于该合金中的纳米析出相阻碍了fcc- bcc马氏体的转变。
对FNAT-47h和FNAT-m-47h合金进行了室温拉伸试验。FNAT-47h的屈服强度(YS)、极限抗拉强度(UTS)和均匀延伸率(UE)分别比FNAT-m-47h提高了约20%、90%和300%，如图1i所示。
FNAT-47h的微观组织结果，如图2a f所示。原子探针断层扫描(APT)，图2a, b，发现球状L12析出相(成分:Ni 13.8Al 6.6Fe 11.6Ti, at%)均匀分布在fcc基体中(成分:Fe 3.6Al 22.3Ni 0.4Ti, at%)。
图2 NAT-47h和FNAT-4h合金的显微组织分析。
透射电镜(TEM)结果，如图2d-f，表明FNAT-47h的fcc晶粒内部存在纳米级bcc域。为了研究析出相间距的影响，研究者在700℃(FNAT-4h)下进行了较短的时效时间(4h)后的微观组织，并采用与FNAT-47h相同的时效方式进行了淬火。APT显示，FNAT-4h的L12析出相和fcc基体的组成和体积分数(图2g,h)与FNAT-47h(图2a, b)相似，说明在4h时已经达到化学平衡。
图3 FNAT合金的室温力学性能和变形机理。
NAT-4h的屈服强度(~807MPa)低于FNAT-47h的屈服强度(~868 MPa)，可能是由于FNAT-4h中没有bcc相。然而，FNAT-4h和FNAT-47h的主要区别在于它们的塑性变形行为。
图4 对当前MEAs (FNAT-47h、FNAT-8h和FNAT-4h)与其他HEAs和钢在室温下的均匀延伸率和极限抗拉强度的比较。
综上所述，研究者的合金中的纳米析出相，不仅提供了传统的基体强化，还可以调节其从fcc-奥氏体到体心立方(bcc)马氏体的转变，通过转变温度淬火后限制其保持亚稳fcc。在随后的拉伸测试中，基体逐渐转变为bcc-马氏体，使强度、加工硬化和延展性大幅度提高。这里报道的策略可以适用于其他系统(包括传统合金和HEAs)，这些系统与FNAT有着共同的特点，尤其是在相变基质中形成纳米析出相的能力（本例中为fcc到BCC，其他情况下为fcc到HCP）。（文：水生）