高熵合金溫度相關變形行為的本構建模和性能調控

高熵合金也被稱為多主元合金，因其具有眾多優于傳統合金的力學性能，在航空航天、國防裝備等重要領域具有廣泛的應用潛力。隨著人類深海、深空探測的腳步越來越遠，材料的低溫力學性能對探測器的服役安全愈發重要。作為亞穩態間隙高熵合金的一個代表，Fe49.5Mn30Co10Cr10C0.5(at.%)高熵合金（簡稱iHEA）同時具有多種強化機制和塑性變形機制。在低溫77K下，由于馬氏體相變得到增強，iHEA的應變硬化能力獲得顯著提升，極限應力可達1.3 GPa，且斷裂韌性仍有約45%。然而，實驗研究仍然無法使一些問題得到全面解答：在低溫下，為何粗晶iHEA的屈服應力明顯增加，而細晶iHEA的卻幾乎不變？為何馬氏體相變得到顯著增強，而孿生機制卻幾乎不再激活？這些問題阻礙了對iHEA變形溫度效應的深入理解，也限制了對不同溫度下iHEA力學行為的描述和預測。

針對上述問題，西南交通大學康國政教授團隊建立了考慮溫度效應和晶粒尺寸效應的多物理機制晶體塑性本構模型，量化了不同強化機制和塑性變形機制對iHEA變形行為的貢獻，在準確描述不同溫度下粗晶和細晶iHEA變形響應和馬氏體體積分數演化的基礎上，深入探討分析了上述問題。在此基礎上，預測了不同溫度和不同晶粒尺寸下iHEA的強韌性。相關成果以論文“Temperature effect on tensile behavior of aninterstitial high entropy alloy: Crystal plasticity modeling”發表在固體力學領域頂級期刊International Journal of Plasticity上。論文共同第一作者為西南交通大學張旭教授和四川大學專職博后陸曉翀，通訊作者為康國政教授和張旭教授，合作者包括中國工程物理研究院趙建鋒助理研究員、西南交大闞前華教授和中南大學李志明教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103201

在FCC晶體中孿生和相變的激活與層錯的形成密切相關，為了描述溫度變化對塑性變形機制的影響，作者們首先建立了一套計算iHEA不同溫度下層錯能的熱力學方法，對層錯能和Gibbs自由能隨溫度的變化進行了深入分析，可推測出不同溫度下iHEA塑性變形機制的改變（如圖1）。

圖1通過熱力學理論模型計算不同溫度下iHEA的層錯能和Gibbs自由能變化

隨后，發展了考慮多重強化機制（林位錯、晶界、碳化物顆粒、晶格摩擦力）和塑性變形機制（位錯滑移、變形孿生、馬氏體相變）的晶體塑性本構模型，并在不同機制中針對性地引入溫度效應。本構模型通過德國馬普鋼鐵所開發的DAMASK平臺移植有限元方法，以用戶子程序的形式與商業軟件Abaqus進行關聯。在驗證多晶Voronoi幾何模型合理性的基礎上，通過模擬實驗加載工況，對本構參數進行識別和校核，驗證本構模型的有效性。對比發現發展的本構模型和所采用的參數能夠較好地描述iHEA溫度相關的單拉變形行為（如圖2）和微結構演化（如圖3）。

圖2 不同溫度和晶粒尺寸下iHEA單拉變形行為的模擬和實驗值對比

圖3 不同溫度和晶粒尺寸下iHEA微結構演化的模擬和實驗值對比

最后，利用本構模型量化了各種強化機制在iHEA屈服應力中的占比（如圖4(a)），分析了不同溫度下孿晶和馬氏體形核應力的變化，對低溫下iHEA屈服應力變化和馬氏體相變增強等問題進行了討論。通過對比模擬量化了馬氏體相變對iHEA應變硬化的貢獻。在此基礎上，通過發展的本構模型和模擬手段，預測了不同溫度和不同晶粒尺寸下iHEA的強韌性分布（如圖4(b)），相關規律可為iHEA的工程服役和性能設計提供參考。

圖4 (a) 量化不同強化機制對iHEA屈服應力的貢獻；(b) 預測不同溫度和晶粒尺寸下iHEA的強度和韌性分布

該研究受到國家自然科學基金（No.11872321, 12192214, 11672251）、北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室開放課題（No. 2019-Z07）的資助。相關研究成果可為高性能合金不同服役環境溫度下的性能預測和調控提供理論工具。張旭教授“多尺度材料力學”研究組隸屬康國政教授“材料本構關系和疲勞斷裂”研究團隊，已在Journal of the Mechanics and Physics of Solids、International Journal of Plasticity、Acta Materialia等固體力學與金屬材料領域頂級期刊上發表多篇論文。

審核編輯 ：李倩