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强度和韧性的“倒置关系”是材料研究领域长期存在的难题。大量的研究表明，材料在拉伸强度获得提升的同时，均匀延伸率会下降，强度与塑性难以兼得。多元素合金，包括高熵合金(HEAs)和中熵合金(MEAs)的设计也会受到强度与塑性倒置关系的制约。预扭转变形产生梯度微结构被证明是实现TWIP钢等材料强塑性兼得的重要方法。预扭转处理对提升HEAs/MEAs的力学性能值得关注。 西南交通大学张旭教授团队与中南大学宋旼和王章维教授团队合作，通过实验表征与晶体塑性有限元模拟相结合深入研究了预扭转处理Mo0.3NiCoCr中熵合金（MEA）圆棒的宏观力学行为和微观结构演化，揭示了预扭转MEA的强韧机理。相关成果以论文“Enhanced strength-ductility synergy of
medium-entropy alloys via multiple level gradient structures”发表在期刊International Journal of Plasticity上。论文第一作者为西南交通大学张旭教授，通讯作者为中南大学王章维教授和宋玟教授。 论文链接： https:///10.1016/j.ijplas.2023.103592
在本研究中，对粗晶（晶粒尺寸约500微米）的MEAs进行预扭转处理，MEA的强度随着扭转角的增加而增加，而拉伸伸长率几乎保持不变，表明强度-延性协同作用增强。通过EBSD、ECCI和TEM等方法揭示了扭转后的位错密度梯度结构和随后的拉伸变形亚结构，如图1所示。研究表明：预扭转产生了位错密度梯度结构，此外扭转过程中由多个滑移系的激活诱发了变形微带，以及预扭转MEA试样单轴拉伸时形成额外的变形孪晶，构成多级梯度结构。微带和孪晶在MEAs中的扩展和动态细化使材料不断产生更高的应变硬化，是材料强度-塑性协同作用的关键。
图1 MEA试样中宏观试验力学响应及微结构演化表征结果。 在实验表征的基础上，采用晶体塑性有限元方法（CPFEM）定量评估了位错密度和变形孪晶体积分数的分布与演变，如图2所示。基于考虑位错机制和孪生机制的晶体塑性本构模型，模拟了MEA的预扭转再拉伸变形行为。通过CPFEM模拟，定量评估了预扭转变形对MEA拉伸变形的位错密度和孪晶体积分数沿径向梯度分布的影响。模拟得到的应力-应变曲线以及梯度位错/孪晶结构与实验结果一致。模拟表明：预扭转产生的梯度位错密度分布导致拉伸屈服强度的提高，预扭转过程中多个滑移系统的激活以及拉伸变形时变形孪晶的产生贡献了材料的应变硬化，梯度微结构和多种应变硬化机制使预扭转MEA实现了强度与塑性的协同。
图2
MEA的预扭转强化行为的CPFEM模拟，MEA沿着径向的梯度位错密度分布。 实验表征和理论建模相结合，阐明了预扭转MEA的强化和应变硬化机制，并为通过调控预扭转工艺和梯度结构的设计来优化材料的力学性能提供了指导。本工作得到了国家重点研发计划（2022YFE0134400）、国家自然科学基金（批准号：51971247、12222209、11872321和12192214）、长沙市自然科学基金会（批准号kq2202091）、湖南省自然科学基金委（批准号2022JJ30712）和NPU大学凝固工艺国家重点实验室基金（批准号：SKLSP202205）的支持。（文：mplusplus） |
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