近年来，由于优异的延展性、疲劳、断裂韧性和抗氧化等性能，CoNi基面心立方(FCC)单相多主元合金(MPEA)引起了研究人员的大量关注。然而由于单相特性，FCC MPEA室温下强度往往不足，限制了其广泛应用。许多研究通过引入二次相和定制异质结构等方法提高CoNi基MPEAs的强度，但相之间或非均质结构之间的界面局部开裂可能导致如延展性和疲劳性能的牺牲。相比之下，溶质原子和晶界是两种有效的介质，可以强化FCC MPEA而不牺牲太多的延性。

因此，来自Academy of Military Science的研究人员通过设计一种以难熔Mo和W合金化的Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金，最大限度提高了FCC MPEA的强塑性力学性能。通过密度泛函理论(DFT)计算和透射电子显微镜(TEM)，揭示了该合金优于其他FCC合金强度-塑性关系的深层次原因。相关成果以题为‘Achieving ultra-strong and ductile CoNi-based FCC multi-principal element alloys via alloying with refractory Mo and W’的论文发表在材料科学期刊Scripta Materialia上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116111

首先，通过Thermol-Calc模拟了合金平衡伪二元相图，观察了这一合金不同热处理状态下的显微组织，如图1所示。证明了合金在均匀化态以及900℃-1200℃退火状态下具有均匀的晶粒组织与成分。

Fig. 1 Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金初始显微组织：(a-d)合金经不同热处理后的背散射电子显微图。(a)在1250℃下均匀化12 h，(b-d)分别在1200、1100和900℃下退火70 s。(e)平衡伪二元相图。(f) 900℃退火合金的BF-TEM和(g) DF-TEM显微图以及相应的EDX图。

接着，测试了不同热处理状态（不同晶粒尺寸）合金的室温力学性能，并与其他MPEAs和TWIP钢的屈服强度和延伸率进行对比，如图2。发现与大多数已报道的MPEAs和常规合金相比，本文设计的Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金表现出突出的强度-塑性协同。

此外，Hall-Petch关系中较高的晶格摩擦应力(~197 MPa)和系数K(~1073 MPa·μm^1/2)表明该合金的超高屈服强度来源于其优异的固溶强化和晶界强化能力。

Fig. 2 Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金在室温下的优异力学性能：(a)工程拉伸应力-应变曲线，(b)应变硬化率曲线，(c)与其他MPEAs和TWIP钢相比拉伸伸长率与屈服强度的对比，以及(d)屈服应力与平均晶粒尺寸平方根倒数的关系。

其中，优异的固溶强化可以用难熔元素Mo、W加入后引起的高晶格畸变δ来解释。比如该合金的δ约为6.35%，高于大多数报道的FCC合金，表明了添加难熔Mo、W可以显著提高Ni基MPEA的晶格畸变和晶格摩擦应力，如图3a和b所示。

另一方面，该合金超高的Hall-Petch系数K（晶界强化能力）也可归因于高晶格畸变（晶格摩擦应力）（图3c）。高摩擦应力阻碍了位错的局部收缩，从而促进了位错滑移的平面性，阻碍了位错的交叉滑移。因此，位错难以通过交叉滑移传递晶界，从而增强了该合金的晶界强化能力。

Fig. 3 (a) Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金的摩擦应力和(b) Hall-Petch系数随(c) Co₄₄Ni₄₄Mo₉W₃合金与其他合金的原子尺寸差δ的变化曲线。

除晶格摩擦应力外，稳定和不稳定层错能(ISEF/USFE)作为控制位错滑移和位错/晶界相互作用的关键因素，也可能是超高晶界强化的重要因素。利用DFT计算了合金的ISEF和USFE（图5a），与其他Ni基MPEA比较发现添加Mo、W可以降低ISFE从而促进位错平面滑移和晶界强化。此外，较高的USFE表明合金具有较高的晶界抗滑移临界强度和晶界强化能力。

值得注意的是，W的加入显著增加了晶格畸变的原子均方位移(MSAD)（图5b），而MSAD的增加进一步归因于晶格摩擦和USFE的增加。综上所述，合金优异的晶界强化能力来源于高摩擦应力、低ISFE和高USFE的协同贡献。

最后通过TEM观察了合金的变形结构。位错滑移是合金的主要变形载体，变形结构包括位错的平面滑移带。此外，在一些晶粒中还发现了扩展的层错和变形孪晶。这些变形结构很好的反映出合金应变硬化行为和优异的强度-塑性协同作用。

Fig. 5 (a-f) Co44Ni44Mo9W3合金断裂后的BF-TEM显微图：显示出普遍的滑移痕迹，以及层错和变形孪晶。(a-f)右上角的插图是相应的SADPs。(d)左下角的插图是HR-TEM显微图，显示L-C位错锁。