导读：高应变率超塑性在高强度材料中极为罕见，尤其是高熵合金缺乏超塑性成形能力。本文制备的高熵合金在1073K高应变速率下实现了有史以来最大伸长率2000%，这是先进材料科学的巨大突破（a huge breakthrough）。研究表明，超塑性变形的主要机制与晶界滑移相关，晶内位错在塑性变形过程中对变形的调节有重要作用。

超塑性通常出现在细晶材料中，并且在低应变率（10-4~10-3/s）和相对温度较高的情况下出现（> 0.5Tm，Tm为熔化温度）。在过去的几十年里，研究人员已在高应变率（>10-2/s）下实现超塑性并获得广泛关注，能够缩短超塑性形成时间，在实际应用中优势巨大。但是，高应变率超塑性（HSRS）在高强度材料中极为罕见，尤其是在最近出现的一类高强度材料，即高熵合金（HEA）中，缺乏超塑性成形能力，严重阻碍了HEA在复杂工程结构的潜在应用。因此，在HEA中实现HSRS将标志着先进材料科学的巨大突破（a huge breakthrough）。

韩国浦项科技大学的研究人员通过热加工处理，再经高压扭转（HPT）处理，制造了具有纳米级FCC晶粒和B2相的Al9（CoCrFeMnNi）91 高熵合金，实现在1073K高应变速率（5×10-2/s）下具有2000%的超高超塑性，是有史以来报道的HEA最大的伸长率。相关论文以题为“Ultrahigh high-strain-rate superplasticity in a nanostructured high-entropy alloy”近日发表在Nature Communications。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16601-1

本研究使用真空感应熔炼制备Al9（CoCrFeMnNi）91（at％）高熵合金，铸锭在1473K下均质12h，水淬。通过冷轧将铸锭厚度从7mm轧至1.5mm，然后在氩气中进行1273K×15min退火，水淬。高压扭转处理为室温6GPa压力下进行，以1 r/min的转速旋转5次。

研究发现，在超塑性拉伸试验前，初始微观结构显示出FCC和富Al-Ni的B2相。退火后的样品显示出细小的FCC晶粒（平均尺寸约为2μm），在FCC晶粒的边界处有相对较大的B2析出物（800nm-1µm），而在FCC晶粒内部有小的B2析出物（200-400nm）。在HPT过程中，软的FCC晶粒经历了严重的应变，导致晶粒细化，同时硬B2相与软的FCC相一起流动并保持其尺寸。这导致B2相尺寸从几百纳米到几微米不等，使纳米级FCC基质具有独特的双重微观结构。

图1 超塑性测试前的初始微观结构

通过不同的测试条件进行超塑性拉伸试验，在1073K的温度下，应变率5×10-2/s时，达到最大伸长率2000%。超塑性变形的主要机制与晶界滑移（GBS）相关，HPT处理可以产生具有大角度晶界的纳米级晶粒，能够促进GBS发生。分析拉伸试样发现除了存在FCC和B2相之外，在超塑性测试期间还形成了σ相（富含Cr），高应变率以及B2和σ相的存在限制了超塑性变形期间晶粒的生长，σ相在当前的HEA中起硬畴的作用，并且可以在较软的畴中生成必要的位错（GND），以保持相间边界兼容性。在超塑性变形过程中保持超细晶（UFG）和相近的形态证实了GBS的存在，通过GBS适应晶粒旋转。高密度位错的产生出现在FCC和B2晶粒中，表明晶内位错在塑性变形过程中对变形的调节有重要作用。在FCC和B2相中，空位的相互连接和位错运动降低了应力集中，并且在容纳GBS方面起着至关重要的作用。

图2 Al9（CoCrFeMnNi）91高熵合金（HEA）的超塑性行为

图3 在1073 K和5×10-2/ s下测试的超塑性拉伸试样的微观结构分析

综上所述，通过微结构工程可以在高熵合金（HEA）中实现超高应变率超塑性（HSRS），该多相显微组织能够获得2000％伸长率的超高HSRS记录，显著大于其他研究中所观察到的结果。本研究有助于利用多相超细晶结构来获得HEA材料中超塑性的实际改进。HEA的独特性能以及这种超高的HSRS使HEA在航空航天和汽车等行业应用更加广泛。（文：破风）

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