导读：对于结构材料或者在应用过程中承受载荷的构件来说，更高的强度和塑性可以提升使用安全性。调控层错能（SFE）可以改变晶体缺陷的种类和密度，从而影响合金的力学性能。这一策略可以同步提升材料的强度和塑性，也被广泛应用在面心立方（FCC）多主元合金中。基于等原子CoCrNi合金，本文设计开发了一种具有极低层错能的非等原子比Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金。区别于传统的以位错滑移为主的变形机制，该合金的强化和变形受层错（SF）主导。该合金的强度随晶粒尺寸增加而单调下降，与文献报道结果一致；但塑性在中等晶粒尺寸处达到峰值，这与大多数单相FCC金属的单调递增趋势相矛盾。主要源于该合金随晶粒粗化从韧性断裂转变为准解理断裂。

强度与塑性之间的相互制约一直是金属材料设计中的重要挑战。这种困境本质上源于晶体材料中占主导地位的位错机制：位错的增殖和运动提供了塑性，而位错运动的阻碍提供了强度。然而，通过降低SFE，可以激活孪生和相变等机制，显著提高加工硬化率。这一策略在同步提升材料的强度和塑性方面具有巨大潜力，已经被广泛应用在FCC多主元合金（MPEAs）中。

SFE在FCC的变形机制中起着关键作用。除了应变速率和温度等外部因素，可以通过改变化学成分来调整SFE。等原子比的CoCrNi合金相较于等原子比的二元、三元和四元CoCrFeMnNi合金子系统，表现出更优越的综合力学性能。通过理论计算发现可以通过改变化学成分来调整CoCrNi合金体系的SFE。添加Cr和Co会降低SFE，从而破坏FCC固溶体的稳定性，进而促进马氏体相变。与等原子比的CoCrNi合金相比，具有极低SFE的非等原子比Co₃₆Cr₄₁Ni₂₃合金在细晶范围展现出更优异的强度与塑性组合。

然而，相变机制并不总是对塑性有利。在相变诱导塑性（TRIP）合金中，新相通常是马氏体。其具有强度高，滑移系少的特征。一方面，马氏体的形成增加了相界面的密度，阻碍了位错滑移并提高了加工硬化率。另一方面，作为脆性相的马氏体可能会使塑性恶化。单相FCC金属或合金的塑性通常会随着晶粒尺寸的增加而逐步提高。然而，部分TRIP合金的塑性随着晶粒尺寸的增加会出现异常降低。目前的研究将这种异常现象主要归因于马氏体相变的激活，以及马氏体含量的增加。

研究表明，当六方密排（HCP）相的比例超过约30%时，CoCrNiMo合金会发生脆性断裂，而均匀延伸率的最大值在HCP相含量低于10%时实现。与293K相比，Fe_49.5Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀C_0.5合金在77K下拉伸实验后，HCP相的含量明显增加，超过了60%。然而，均匀延伸率却几乎保持不变。这一现象也存在于Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀合金。HCP相含量与塑性之间的相关性仍然存在疑问。因此，探索低SFE合金在晶粒尺寸增加时塑性异常下降的根本原因至关重要。

在这项研究中，作者设计了一种非等原子比Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金，该合金具有极低SFE，并制备了不同晶粒尺寸的试样。研究其力学行为和变形组织。本研究旨在揭示该合金的变形机制，并探讨晶粒尺寸增加导致的塑性下降以及断裂行为转变的机制。相关成果以“Effect of grain size on the deformation mechanism and fracture behavior of a non-equiatomic CoCrNi alloy with low stacking fault energy”为题发表在International Journal of Plasticity期刊上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104129

图1. 不同晶粒尺寸完全再结晶的Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金取向分布图.

图2. 不同晶粒尺寸Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金的力学性能.

图3. 工程应变0.1下的ECC图像.

图4. 颈缩应变下的TEM图像.

图5. 颈缩应变下的EBSD相图.

图6. 不同晶粒尺寸Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金的断口形貌.

图7. 垂直于拉伸断裂面的ECC图像.

图8. (a) CG试样断口附近的SEM图像；(b，c) 晶界叠加取向分布图；(b₁，c₁) 相图叠加质量图；(b₂，c₂) Schmid因子图叠加质量图.

图9. (a) 晶粒尺寸对FCC单相多主元合金均匀延伸率的影响；(b) 不同晶粒尺寸Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金断裂机制的示意图.

具有极低层错能的Co₃₈Cr₃₈Ni₂₄合金被设计为模型合金，用于研究亚稳合金（会发生显著变形诱导马氏体相变）在晶粒尺寸增加时塑性异常下降的原因。通过轧制和退火制备了晶粒尺寸为0.61~6.4 μm的试样。研究了晶粒尺寸对力学性能和变形组织的影响。主要结论如下：

• 由于层错能很低，位错在分解后很难进一步束集，从而导致SFs很容易被保留下来，而并没有发现全位错滑移证据。因此，SFs主导了塑性变形。随着应变量的增加，马氏体相变逐渐被激活，开始发挥作用。

• 在超细晶和细晶范围内，塑性随着晶粒尺寸的增加而上升。当晶粒尺寸大于3μm时，塑性急剧下降。断口形貌由韧窝转变为准解理刻面，断裂机制由微孔聚集转变为准解理。

• 在超细晶和细晶试样中，由于优异的晶粒协调变形能力，裂纹萌生被抑制。小的裂纹尺寸和大的扩展阻力进一步限制了裂纹扩展，发生了韧性断裂，提升了塑性。

• 弱协调变形能力和晶界附近大量脆性HCP相共同作用，促进了粗晶试样的裂纹萌生。大尺寸裂纹对邻近组织施加较高的剪切应力，进一步加速裂纹扩展，最终导致粗晶试样出现准解理断裂，使塑性大幅恶化。