高熵合金也被稱為多主元合金，因其具有眾多優(yōu)于傳統(tǒng)合金的力學(xué)性能，在航空航天、國防裝備等重要領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(xué)性能對探測器的服役安全愈發(fā)重要。作為亞穩(wěn)態(tài)間隙高熵合金的一個代表，F(xiàn)e49.5Mn30Co10Cr10C0.5(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(yīng)變硬化能力獲得顯著提升，極限應(yīng)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(yīng)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(yīng)的深入理解，也限制了對不同溫度下iHEA力學(xué)行為的描述和預(yù)測。

針對上述問題，西南交通大學(xué)康國政教授團隊建立了考慮溫度效應(yīng)和晶粒尺寸效應(yīng)的多物理機制晶體塑性本構(gòu)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(yīng)和馬氏體體積分數(shù)演化的基礎(chǔ)上，深入探討分析了上述問題。在此基礎(chǔ)上，預(yù)測了不同溫度和不同晶粒尺寸下iHEA的強韌性。相關(guān)成果以論文“Temperature effect on tensile behavior of aninterstitial high entropy alloy: Crystal plasticity modeling”發(fā)表在固體力學(xué)領(lǐng)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(xué)張旭教授和四川大學(xué)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(xué)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(guān)，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(xué)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(xué)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(fā)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(gòu)模型，并在不同機制中針對性地引入溫度效應(yīng)。本構(gòu)模型通過德國馬普鋼鐵所開發(fā)的DAMASK平臺移植有限元方法，以用戶子程序的形式與商業(yè)軟件Abaqus進行關(guān)聯(lián)。在驗證多晶Voronoi幾何模型合理性的基礎(chǔ)上，通過模擬實驗加載工況，對本構(gòu)參數(shù)進行識別和校核，驗證本構(gòu)模型的有效性。對比發(fā)現(xiàn)發(fā)展的本構(gòu)模型和所采用的參數(shù)能夠較好地描述iHEA溫度相關(guān)的單拉變形行為（如圖2）和微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)演化的模擬和實驗值對比

最后，利用本構(gòu)模型量化了各種強化機制在iHEA屈服應(yīng)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(yīng)力的變化，對低溫下iHEA屈服應(yīng)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(yīng)變硬化的貢獻。在此基礎(chǔ)上，通過發(fā)展的本構(gòu)模型和模擬手段，預(yù)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(guān)規(guī)律可為iHEA的工程服役和性能設(shè)計提供參考。

圖4 (a) 量化不同強化機制對iHEA屈服應(yīng)力的貢獻；(b) 預(yù)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(xué)基金（No.11872321, 12192214, 11672251）、北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點實驗室開放課題（No. 2019-Z07）的資助。相關(guān)研究成果可為高性能合金不同服役環(huán)境溫度下的性能預(yù)測和調(diào)控提供理論工具。張旭教授“多尺度材料力學(xué)”研究組隸屬康國政教授“材料本構(gòu)關(guān)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(xué)與金屬材料領(lǐng)域頂級期刊上發(fā)表多篇論文。

審核編輯 ：李倩