東北大學(xué)《JMST》：從位錯(cuò)主導(dǎo)到層錯(cuò)主導(dǎo)塑性變形使CoCrNi合金獲得優(yōu)異力學(xué)性能

導(dǎo)讀：通過調(diào)控面心立方（FCC）合金的晶體缺陷，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑性的提升，其中位錯(cuò)起到關(guān)鍵作用。本研究針對(duì)具有不同層錯(cuò)能（SFE）的三種CoCrNi合金（45Ni、33Ni和24Ni），系統(tǒng)探究其變形機(jī)制與應(yīng)變硬化行為。45Ni與33Ni合金呈現(xiàn)位錯(cuò)主導(dǎo)的變形機(jī)制；與之不同，24Ni合金以層錯(cuò)（SFs）為主要變形機(jī)制，這與其非常低的SFE密切相關(guān)。SFs不僅可強(qiáng)化FCC基體，還能促進(jìn)密排六方（HCP）相的形核。HCP相的納米級(jí)厚度與高體積分?jǐn)?shù)共同作用，使24Ni合金維持持續(xù)的高加工硬化率。此外，在~0.7 μm的臨界晶粒尺寸下，24Ni合金的強(qiáng)塑積顯著高于等原子比CoCrNi合金與316L不銹鋼。上述研究結(jié)果為進(jìn)一步提升FCC合金的力學(xué)性能提供了全新思路。

FCC金屬與合金的變形微觀組織主要包括位錯(cuò)、SFs、納米孿晶以及馬氏體。這些晶體缺陷的類型與密度會(huì)受到SFE的顯著影響。對(duì)于低SFE合金，受限的交滑移抑制了動(dòng)態(tài)回復(fù)，并促進(jìn)了位錯(cuò)增殖。此外，SFs、孿生及相變等變形機(jī)制更易被激活。由此形成的高密度位錯(cuò)與平面缺陷可有效提升合金的加工硬化能力。調(diào)控SFE的策略已成功應(yīng)用于改善銅合金、奧氏體不銹鋼及多主元合金（MPEAs）的力學(xué)性能。

對(duì)大多數(shù)合金而言，位錯(cuò)滑移始終是實(shí)現(xiàn)塑性變形與強(qiáng)化的核心機(jī)制。然而研究表明，對(duì)于SFE非常低的合金，如Cu-15Al、CoCrNiW、Co36Cr41Ni23，層錯(cuò)對(duì)協(xié)調(diào)塑性變形具有重要作用。層錯(cuò)作為一種平面缺陷，其形成與SFE的大小密切相關(guān)。當(dāng)SFE足夠低時(shí)，層錯(cuò)便易于在晶體中保留。值得注意的是，F(xiàn)e30Ni20Co20Cr20Si10合金展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配，這歸因于其以層錯(cuò)為主導(dǎo)的塑性變形機(jī)制。因此，這些具有非常低SFE的MPEAs所呈現(xiàn)的強(qiáng)化特性值得深入研究。

本研究設(shè)計(jì)了三種CoCrNi合金，分別為Co27.5Cr27.5Ni45（45Ni，γisf = 5 mJ·m?2）、Co33.3Cr33.3Ni33.3（33Ni，γisf = -24 mJ·m?2）以及Co38Cr38Ni24（24Ni，γisf =-54 mJ·m?2）。探討了這些具有不同變形機(jī)制合金的應(yīng)變硬化行為。值得注意的是，經(jīng)SFs與HCP相強(qiáng)化的超細(xì)晶和細(xì)晶24Ni樣品，其力學(xué)性能優(yōu)于大多數(shù)單相FCC MPEAs。該發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)具備優(yōu)異力學(xué)性能的面心立方合金提供了重要參考。

圖1展示了CoCrNi合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，退火樣品通過電子通道襯度（ECC）成像技術(shù)進(jìn)行表征，呈完全再結(jié)晶態(tài)。

圖1. CoCrNi合金的初始微觀組織與力學(xué)性能。(a-c)不同晶粒尺寸45Ni合金的典型ECC圖像；不同晶粒尺寸 (d) 45Ni、(e)33Ni及 (f) 24Ni合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2展示了CoCrNi合金的力學(xué)性能。

圖2. CoCrNi合金的 (a) 屈服強(qiáng)度、(b) 抗拉強(qiáng)度和 (c) 均勻延伸率隨的變化曲線；(d) 不同SFE CoCrNi合金的抗拉強(qiáng)度與均勻延伸率的關(guān)系圖

圖3展示了細(xì)晶CoCrNi合金在真應(yīng)變?yōu)?.075時(shí)的變形微觀結(jié)構(gòu)。與33Ni合金相比，具有較高SFE的45Ni合金表現(xiàn)出明顯的波狀滑移特征。而在24Ni合金中則觀察到大量SFs，觀察不到明顯的全位錯(cuò)。

圖3. (a, d) 45Ni、(b, e) 33Ni及 (c, f) 24Ni合金在真應(yīng)變?yōu)?.075時(shí)的TEM圖像

圖4展示了細(xì)晶45Ni、33Ni和24Ni試樣在頸縮應(yīng)變下的變形微觀組織。在45Ni合金中觀察到明顯的位錯(cuò)胞和有限的納米孿晶，表明位錯(cuò)滑移是其主要塑性變形機(jī)制。相比之下，33Ni合金表現(xiàn)出顯著的堆垛層錯(cuò)和納米孿晶，納米孿晶的平均厚度僅為2.3±0.9 nm。24Ni在頸縮應(yīng)變下呈現(xiàn)出典型的堆垛層錯(cuò)和HCP相。HCP相與FCC相呈現(xiàn)交替排列，其中HCP片層厚度僅為1.5±0.5 nm。

圖4. (a, d) 45Ni、(b, e-h) 33Ni及 (c, i-l) 24Ni合金在頸縮應(yīng)變下的TEM圖像與選區(qū)電子衍射花樣

晶粒尺寸為~0.7 μm的CoCrNi合金展現(xiàn)出最佳的強(qiáng)塑性匹配。在臨界晶粒尺寸下，24Ni合金的值 (~367 mJ/mm3) 顯著高于45Ni合金(~247 mJ/mm3)、33Ni合金 (~273 mJ/mm3) 以及316L不銹鋼 (~265 mJ/mm3)。對(duì)于24Ni合金，其優(yōu)異的強(qiáng)塑積源于層錯(cuò)主導(dǎo)的塑性變形機(jī)制。這一獨(dú)特的變形機(jī)制使得24Ni合金在變形后期仍能維持較高的加工硬化率，從而確保了強(qiáng)度與塑性的同步提升。

圖5. 與 (a) 晶粒尺寸和 (b) 屈服強(qiáng)度的關(guān)系曲線

本研究制備了三種具有不同SFE的CoCrNi合金，隨著SFE降低，合金變形機(jī)制實(shí)現(xiàn)了從位錯(cuò)主導(dǎo)向?qū)渝e(cuò)主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。本文系統(tǒng)研究了該系列合金的力學(xué)性能與應(yīng)變硬化行為，主要結(jié)論如下：

1. 層錯(cuò)主導(dǎo)塑性變形機(jī)制的24Ni合金，力學(xué)性能優(yōu)于其他單相FCC MPEAs和奧氏體不銹鋼。這種獨(dú)特的變形機(jī)制與其非常低的SFE密切相關(guān)。

2. SFs不僅能夠強(qiáng)化FCC基體，還可作為HCP相的形核核心。在頸縮應(yīng)變下，超細(xì)晶與細(xì)晶24Ni中的HCP相體積分?jǐn)?shù)可達(dá)~25%。HCP相的納米級(jí)厚度與高體積分?jǐn)?shù)協(xié)同作用，在實(shí)現(xiàn)高效界面強(qiáng)化的同時(shí)減輕塑性損傷，使24Ni在變形后期保持持續(xù)較高的加工硬化率。

3. 超細(xì)晶粒無法為位錯(cuò)交互作用提供充足空間，導(dǎo)致位錯(cuò)強(qiáng)化效果減弱；同時(shí)，晶粒細(xì)化會(huì)抑制45Ni與33Ni合金的孿生行為。上述因素共同導(dǎo)致超細(xì)晶樣品的強(qiáng)化能力低于細(xì)晶與粗晶樣品。

4. 在~0.7 μm的臨界晶粒尺寸下，24Ni合金的強(qiáng)塑積(~367 mJ/mm3) 顯著高于45Ni合金 (~247 mJ/mm3)、33Ni合金 (~273 mJ/mm3) 以及316L不銹鋼 (~265 mJ/mm3)。24Ni優(yōu)異的強(qiáng)塑積源于層錯(cuò)主導(dǎo)的塑性變形機(jī)制，該發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步提升FCC合金的力學(xué)性能提供了新思路。

論文信息：S.Y. Peng, Y.Z. Tian, Z.Y Ni, S. Lu, S. Li, Transition of dominating roles from dislocations to stacking faults enables superior mechanical properties of CoCrNi alloys, Journal of Materials Science & Technology 270 (2026) 112-121

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.01.031

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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