東北大學《JMST》：從位錯主導到層錯主導塑性變形使CoCrNi合金獲得優異力學性能

導讀：通過調控面心立方（FCC）合金的晶體缺陷，可以實現強度和塑性的提升，其中位錯起到關鍵作用。本研究針對具有不同層錯能（SFE）的三種CoCrNi合金（45Ni、33Ni和24Ni），系統探究其變形機制與應變硬化行為。45Ni與33Ni合金呈現位錯主導的變形機制；與之不同，24Ni合金以層錯（SFs）為主要變形機制，這與其非常低的SFE密切相關。SFs不僅可強化FCC基體，還能促進密排六方（HCP）相的形核。HCP相的納米級厚度與高體積分數共同作用，使24Ni合金維持持續的高加工硬化率。此外，在~0.7 μm的臨界晶粒尺寸下，24Ni合金的強塑積顯著高于等原子比CoCrNi合金與316L不銹鋼。上述研究結果為進一步提升FCC合金的力學性能提供了全新思路。

FCC金屬與合金的變形微觀組織主要包括位錯、SFs、納米孿晶以及馬氏體。這些晶體缺陷的類型與密度會受到SFE的顯著影響。對于低SFE合金，受限的交滑移抑制了動態回復，并促進了位錯增殖。此外，SFs、孿生及相變等變形機制更易被激活。由此形成的高密度位錯與平面缺陷可有效提升合金的加工硬化能力。調控SFE的策略已成功應用于改善銅合金、奧氏體不銹鋼及多主元合金（MPEAs）的力學性能。

對大多數合金而言，位錯滑移始終是實現塑性變形與強化的核心機制。然而研究表明，對于SFE非常低的合金，如Cu-15Al、CoCrNiW、Co36Cr41Ni23，層錯對協調塑性變形具有重要作用。層錯作為一種平面缺陷，其形成與SFE的大小密切相關。當SFE足夠低時，層錯便易于在晶體中保留。值得注意的是，Fe30Ni20Co20Cr20Si10合金展現出優異的強塑性匹配，這歸因于其以層錯為主導的塑性變形機制。因此，這些具有非常低SFE的MPEAs所呈現的強化特性值得深入研究。

本研究設計了三種CoCrNi合金，分別為Co27.5Cr27.5Ni45（45Ni，γisf = 5 mJ·m?2）、Co33.3Cr33.3Ni33.3（33Ni，γisf = -24 mJ·m?2）以及Co38Cr38Ni24（24Ni，γisf =-54 mJ·m?2）。探討了這些具有不同變形機制合金的應變硬化行為。值得注意的是，經SFs與HCP相強化的超細晶和細晶24Ni樣品，其力學性能優于大多數單相FCC MPEAs。該發現為設計具備優異力學性能的面心立方合金提供了重要參考。

圖1展示了CoCrNi合金的工程應力-應變曲線，退火樣品通過電子通道襯度（ECC）成像技術進行表征，呈完全再結晶態。

圖1. CoCrNi合金的初始微觀組織與力學性能。(a-c)不同晶粒尺寸45Ni合金的典型ECC圖像；不同晶粒尺寸 (d) 45Ni、(e)33Ni及 (f) 24Ni合金的工程應力-應變曲線

圖2展示了CoCrNi合金的力學性能。

圖2. CoCrNi合金的 (a) 屈服強度、(b) 抗拉強度和 (c) 均勻延伸率隨的變化曲線；(d) 不同SFE CoCrNi合金的抗拉強度與均勻延伸率的關系圖

圖3展示了細晶CoCrNi合金在真應變為0.075時的變形微觀結構。與33Ni合金相比，具有較高SFE的45Ni合金表現出明顯的波狀滑移特征。而在24Ni合金中則觀察到大量SFs，觀察不到明顯的全位錯。

圖3. (a, d) 45Ni、(b, e) 33Ni及 (c, f) 24Ni合金在真應變為0.075時的TEM圖像

圖4展示了細晶45Ni、33Ni和24Ni試樣在頸縮應變下的變形微觀組織。在45Ni合金中觀察到明顯的位錯胞和有限的納米孿晶，表明位錯滑移是其主要塑性變形機制。相比之下，33Ni合金表現出顯著的堆垛層錯和納米孿晶，納米孿晶的平均厚度僅為2.3±0.9 nm。24Ni在頸縮應變下呈現出典型的堆垛層錯和HCP相。HCP相與FCC相呈現交替排列，其中HCP片層厚度僅為1.5±0.5 nm。

圖4. (a, d) 45Ni、(b, e-h) 33Ni及 (c, i-l) 24Ni合金在頸縮應變下的TEM圖像與選區電子衍射花樣

晶粒尺寸為~0.7 μm的CoCrNi合金展現出最佳的強塑性匹配。在臨界晶粒尺寸下，24Ni合金的值 (~367 mJ/mm3) 顯著高于45Ni合金(~247 mJ/mm3)、33Ni合金 (~273 mJ/mm3) 以及316L不銹鋼 (~265 mJ/mm3)。對于24Ni合金，其優異的強塑積源于層錯主導的塑性變形機制。這一獨特的變形機制使得24Ni合金在變形后期仍能維持較高的加工硬化率，從而確保了強度與塑性的同步提升。

圖5. 與 (a) 晶粒尺寸和 (b) 屈服強度的關系曲線

本研究制備了三種具有不同SFE的CoCrNi合金，隨著SFE降低，合金變形機制實現了從位錯主導向層錯主導的轉變。本文系統研究了該系列合金的力學性能與應變硬化行為，主要結論如下：

1. 層錯主導塑性變形機制的24Ni合金，力學性能優于其他單相FCC MPEAs和奧氏體不銹鋼。這種獨特的變形機制與其非常低的SFE密切相關。

2. SFs不僅能夠強化FCC基體，還可作為HCP相的形核核心。在頸縮應變下，超細晶與細晶24Ni中的HCP相體積分數可達~25%。HCP相的納米級厚度與高體積分數協同作用，在實現高效界面強化的同時減輕塑性損傷，使24Ni在變形后期保持持續較高的加工硬化率。

3. 超細晶粒無法為位錯交互作用提供充足空間，導致位錯強化效果減弱；同時，晶粒細化會抑制45Ni與33Ni合金的孿生行為。上述因素共同導致超細晶樣品的強化能力低于細晶與粗晶樣品。

4. 在~0.7 μm的臨界晶粒尺寸下，24Ni合金的強塑積(~367 mJ/mm3) 顯著高于45Ni合金 (~247 mJ/mm3)、33Ni合金 (~273 mJ/mm3) 以及316L不銹鋼 (~265 mJ/mm3)。24Ni優異的強塑積源于層錯主導的塑性變形機制，該發現為進一步提升FCC合金的力學性能提供了新思路。

論文信息：S.Y. Peng, Y.Z. Tian, Z.Y Ni, S. Lu, S. Li, Transition of dominating roles from dislocations to stacking faults enables superior mechanical properties of CoCrNi alloys, Journal of Materials Science & Technology 270 (2026) 112-121

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.01.031

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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