中科院&北京理工：首次制备具有极佳强度和延展性组合的微米级中熵合金丝！
导读：本文首次通过泰勒-乌利托夫斯基方法成功制作了微米尺寸的CoCrNi中熵合金（MEA）焊丝。直径为40和100微米的两种不同尺寸的线材表现出抗拉强度和延展性的极佳组合。出众的机械性能源于Lomer-Cottrell锁，机械纳米缠绕和HCP堆叠的协同作用。出乎意料的是，这些微丝的张力出现了反常的尺寸效应，即在40微米的导线中观察到了更高的拉伸强度和延展性。在40微米线材中观察到伴随异质变形的几何必要位错的密度更高，从而导致高应变梯度，而应变梯度又与多个变形孪晶相连，从而在40微米线材中产生了高强度和延展性。
诸如传统的单主要元素合金微线，形状记忆合金微线和非晶合金微线之类的微线在该领域中起着不可替代的作用。精密仪器和先进的制造技术。为了获得更高的精度和可靠性，迫切需要小直径，高强度和足够的延展性。然而，发现在大多数传统的微丝中，直径对拉力行为的影响可以忽略不计。并且通常将高强度与低延展性结合在一起，例如，典型的珠光体钢丝可以通过剧烈牺牲其延展性而达到超高强度。因此，如何探索直径更小，性能更好的微线仍然是一个具有挑战性的问题。
在过去的十年中，具有等摩尔或接近等摩尔比的多个主要元素的材料系统（称为高熵合金（HEA）或中熵合金（MEA））引起了广泛的兴趣。独特的设计理念赋予这些合金意想不到的机械性能和巨大的潜力，可以克服传统的强度-延展性折衷的困境包括特殊的断裂韧性在低温温度，在极端条件下性能优良，例如，非凡的自锐能力，该开阔视野来解决存在于传统材料许多棘手的问题。以前的大多数研究都集中在散装材料上，在H / MEA毫米线中仅进行了几项开创性的工作。然而，尚未报道微米级的H / MEA导线。
在这项工作中，中科院力学所和北京理工大学科研人员采用CoCrNi MEA为原材料。使用泰勒-乌利托夫斯基方法成功地制造了直径为40和100微米的两种不同尺寸的CoCrNi微线。这些微丝具有出色的强度和延展性。令人惊讶的是，这些微丝对拉伸行为表现出异常的尺寸影响。一系列微观结构表征与定量分析相结合，揭示了这种异常尺寸效应的潜在机制。相关研究成果以题“Anomalous size effect in micron-scale CoCrNi medium-entropy alloy wire”发表在Scripta Materialia上。
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113897
所述CoCrNi微丝的测量的单轴拉伸应力-应变曲线示于图1中a，其中还示出用于比较的在铸态条件下散装CoCrNi的MEA的曲线 。在延展性下降较小的情况下，微丝的强度要比铸态块状样品高得多，并且随着直径的减小，抗拉强度和延展性都得到了显着改善。当微丝的直径从100μm减小到40μm时，屈服强度从450 MPa增加到638 MPa，极限抗拉强度从950 MPa增加到1188 MPa，拉伸延展性也从41％增加到48％。两种样品均显示出明显的加工硬化能力（图1）。b），远远超出了通过大量拉拔工艺制造的直径为2mm的CoCrNi焊丝的直径[27]。显然，MEA微丝表现出反常的尺寸效应，与常规的单主要元素合金仅对张力行为的微小直径影响形成鲜明对比。
图1。（a）MEA微丝的拉伸工程应力-应变曲线。（b）MEA微丝的应变硬化率曲线。（c，d）初始MEA微丝的SEM图像，（e）韧性凹坑表面和突出的颈缩行为。（f）块状铸锭和微丝铸态的XRD图谱。（gi）EDS图显示了微丝中三个元素的均匀分布。
图2。（a）40微丝和（b）100微丝的初始结构的EBSD图像；（c）应变为48％的40微丝和（d）应变为41％的100微丝的变形结构。
图3。100微丝的详细微观结构。（a）SFs在一个方向上的明场TEM图像；（c）高密度滴滴涕；（f）脱位与DT之间的相互作用。（b）SF的HREM图像；（d）纳米双薄片；（e）LC锁。所有SAED模式均沿[110]区域轴获取。
图4。40细线的详细微观结构。（a）SF在两个方向上的明场TEM图像；（b）脱位-DT相互作用更为严重；（c，d）多个DT。（e，f）多个DT的暗场TEM图像。（g，h）SF和HCP堆叠的HREM图像，以及（i）相应的SAED模式。所有SAED模式均沿[110]区域轴获取。
图5。（a）40微丝和（b）100微丝的GND密度，基于KAM的应变为40％；（c）GND密度的分布；（d）横截面内的微丝示意图；（e）内晶粒的真实应力-应变曲线。
综上所述，我们采用泰勒-乌利托夫斯基方法成功地制备了CoCrNi MEA微丝。对于两种不同尺寸的微丝，强度和延展性完美地结合在一起。通过详细的微观结构表征，揭示了多种变形机制，例如LC锁，DDW，DT和HCP堆叠。此外，在张力作用下还发现了惊人的尺寸效应：40微米线材显示出更高的强度和延展性，这归因于应变的影响与GND相关的梯度。微丝中固有的（即MEA的化学无序结构）和非本征的（即表面约束效应）特性导致的高应变梯度促进了多个变形孪晶的活化，从而提高了40微丝的强度和延展性。这项工作不仅揭示了MEA微丝优异性能的微观机制，而且为开发新型先进的金属微丝提供了有意义的指导。
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