1. 引言
多主元合金因其独特的成分设计和优异的力学性能，近年来成为金属材料领域的研究热点[1]。与传统合金相比，MPEAs具有高熵效应、晶格畸变效应和缓慢扩散效应等特征，展现出高强度、良好的耐腐蚀性和高温稳定性等优势。然而，大多数面心立方(FCC)结构的MPEAs虽然具有优异的塑性，但强度往往不足，难以满足工程应用对材料综合性能的要求[2]。因此，如何通过微观组织调控实现强度与塑性的协同提升，成为MPEAs研究的关键科学问题之一[3]。
Mo元素作为合金化的重要添加元素，其较大的原子半径可引起显著的晶格畸变，影响合金的微观结构和力学性能[4]，同时异质结构设计是提高金属材料强塑性的有效策略之一[5] [6]。通过引入晶粒尺寸梯度、变形/再结晶区域共存等微观结构特征，可以同时激活多种强化机制(如异质变形诱导硬化、位错积累和动态Hall-Petch效应)，从而在不显著牺牲塑性的前提下提高材料强度。部分再结晶组织作为一种典型的异质结构，由再结晶细晶区与未再结晶变形区组成，能够通过晶界强化和位错强化机制的协同作用优化材料性能。本研究以单相FCC结构的Fe50(CoCrNi)41Mo9多主元合金为研究对象，通过冷轧和后续退火工艺调控部分再结晶组织，旨在实现强度与塑性的协同优化。利用电子背散射衍射(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)等手段系统分析了异质结构的形成及其在变形过程中的演化行为，重点探讨了再结晶细晶区与未再结晶变形区的协同强化机制。研究结果不仅为多主元合金的强韧化设计提供了新思路，也为开发高性能结构材料奠定了理论基础。
2. 材料方法
采用高纯(≥99.9%)金属(Co、Cr、Fe、Ni和Mo)为原料，在氩气气氛下通过真空电弧熔炼制备原子比为Fe50(CoCrNi)50−xMox (x = 5, 9, 13)的合金锭。为确保化学成分均匀，对锭进行反复熔炼，最少进行六个循环，然后在1473 K均匀化4小时。然后将样品放入水中淬火。均匀化后，样品被冷轧至最终厚度为1.2 mm，实现了厚度的总减少88%。随后，将冷轧板在745℃的温度下退火10分钟，以改变合金的微观组织和力学性能。为了清楚和方便起见，这些样品被称为Mo5、Mo9和Mo13，对应于它们各自的编号。
3. 结果
3.1. 拉伸性能
图1(a)显示了铸造和冷轧退火Fe50(CoCrNi)50−xMox (x = 5, 9, 13)合金在室温下的工程应力应变曲线。由图可知，同一温度下，随着Mo含量的升高，合金的屈服强度下降。具体而言，同一温度下，Mo含量为5时，屈服强度达到最高值1850 MPa，但在Mo含量为13时显著下降到800 MPa，标志着下降了1050 MPa。同时，断裂应变呈现出相反的趋势：在Mo含量为5时，断裂应变仅为1.5%，但在Mo含量为13时增加到41.2%。在各种Mo含量条件中，Mo9的样品表现出最平衡的强度和延展性组合，Mo9合金的屈服强度为1096 MPa，延展性为19.6%。这证明了屈服强度和延展性之间的非凡协同作用。
图1(b)显示了Mo9合金的真实应力应变和应变硬化率曲线。应变硬化率曲线可分为三个阶段：第一阶段急剧下降，第二阶段略有增加，第三阶段适度下降。这种多阶段应变硬化行为是异质结构的特征，其中变形激活了异质变形诱导(HDI)硬化机制。HDI硬化对于在高强度下保持良好的塑性至关重要，这在防止过早颈缩方面特别有利[7]。
Figure 1. Fe50(CoCrNi)50−xMox (x = 5, 9, 13) room temperature mechanical properties of the alloy. (a) Engineering stress-strain curves of annealed alloys; (b) Strain hardening rate curves for Mo9 samples
图1. Fe50(CoCrNi)50−xMox (x = 5, 9, 13)合金的室温力学性能。(a) 退火合金的工程应力应变曲线；(b) Mo9样品的应变硬化率曲线
3.2. 显微结构
图2显示了铸造和冷轧退火Fe50(CoCrNi)50−xMox (x = 5, 9, 13)合金的XRD图谱。所有样品的XRD图谱一致地表现出单相面心立方(FCC)结构，这是合金固溶结构的特征。值得注意的是，在20˚至100˚范围内没有任何额外的衍射峰，这进一步证实了从铸造到冷轧退火状态的过程中没有形成第二相。这一观察表明Fe50(CoCrNi)50−xMox (x = 5, 9, 13)合金具有良好的相稳定性。
图3展示了Mo5、Mo9和Mo13样品的微观结构。从IPF反极图(a, c, e)中可以观察到，随着Mo含量的增加，晶粒形态和取向分布发生变化。Mo5样品的晶粒相对较小且分布较为均匀；Mo9样品发现未再结晶晶粒，未再结晶大晶粒仍保留较高位错密度，再结晶区域晶粒尺寸有所细化，分布更加均匀，Mo13样品再结晶晶粒较大，位错密度高。结合KAM图(b, d, f)可知，Mo9样品的未再结晶区域位错密度较高，且与再结晶区域形成了良好的协同作用，部分再结晶组织(Mo9)通过未再结晶区域的高位错密度与再结晶细晶的协同作用，更有利于实现性能优化[8]。
Figure 2. XRD patterns of cast, Mo5, Mo9, and Mo13 samples in range of 20˚ to 100˚
图2. Mo5、Mo9和Mo13样品在20˚至100˚范围内的XRD图样
Figure 3. Microstructure of the Mo5 (a~b), Mo9 (c~d), and Mo13 (e~f) samples, respectively. (a, c, e) the IPF maps; (b, d, f) KAM images
图3. Mo5 (a~b)、Mo9 (c~d)和Mo13 (e~f)样品的微观结构。(a, c, e) IPF反极图；(b, d, f) KAM图
如图1所示，晶粒结构的调整显著改变了强度和延展性之间的平衡。为了解决FeCoCrNi合金固有的低强度问题，同时保持相当大的延展性，我们关注Mo9样品的微观结构和变形机制。与Mo13样品相比，该样品表现出相对较高的屈服强度，以及明显较大的延展性。图4显示了Mo9样品的TEM分析。明场TEM图像清楚地区分了完全再结晶和部分再结晶区域。在后者中，位错密度(用白色箭头表示)显示更高，而再结晶晶粒显示出位错密度的显着降低。同时，图中也揭示了再结晶晶粒内存在退火孪晶(用绿色箭头表示)。
Figure 4. TEM characterization of the Mo9 sample
图4. Mo9样品的TEM表征
4. 结论
本研究成功制备了Fe50(CoCrNi)50−xMox (x = 5, 9, 13)系列多主元合金，并对其进行了全面的性能和微观结构研究。结果表明，Mo含量对合金性能和微观结构影响显著，Mo9合金表现出最优的综合力学性能，屈服强度为1096 MPa，伸长率达19.6%。XRD分析显示合金均为单一Fcc相，具有良好的相稳定性。EBSD和TEM分析揭示了Mo9合金中未再结晶区域的高位错密度与再结晶细晶、退火孪晶之间的协同作用是其性能优异的关键原因。本研究为多主元合金成分优化设计提供了重要参考，确定了Mo在(CoNi)80−xCr10Fe10Mox合金体系中的适宜含量，但对于该合金体系在不同环境下的性能稳定性以及更多元素复合添加的影响等问题，仍需进一步深入研究。