導讀：本研究揭示了少量硅( Si5% )添加在高壓扭轉( HPT )過程中顯著改變非等原子比CoCrMnNi多主元合金( MPEA )的塑性機制、晶粒細化和硬化響應中的決定性作用。無Si和添加Si的MPEAs均具有面心立方( FCC )結構，并在6 GPa壓力下對不同匝數的( 0.5和5)進行準約束HPT處理。采用X射線衍射線輪廓分析( XLPA )和透射電子顯微鏡( TEM )研究了HPT處理的圓盤中心和邊緣的微觀結構演變。Si的添加改變了HPT加工早期主要的塑性機制，從微形變帶的形成轉變為納米孿晶的廣泛發生。在HPT加工后期，兩種合金均表現出形變孿晶，但添加Si的MPEA合金的孿生傾向明顯更高，表現為更高的孿生取向率( 50 % )。此外，與不含Si的MPEA相比，添加Si的MPEA在HPT加工的任何階段都顯示出高達30 %的位錯密度。在添加Si的MPEA (不加Si時為34 nm ,加Si時為23 nm)中觀察到明顯加速的納米結構化和更細的飽和晶粒尺寸。這些效應可以通過Si添加降低層錯能( SFE ) (從不含Si時的40 m J / m2到添加Si后的MPEA中的20 m J / m²)和增加Si對晶格缺陷的溶質釘扎作用來解釋。納米尺度下的塑性機制也受到Si存在的影響，添加Si和不添加Si的MPEA分別在納米晶粒內部形成了納米孿晶和堆垛層錯。塑性機制和微觀組織演變的差異導致Si添加的MPEA在HPT加工的早期階段硬度增強，但在較高應變下兩種合金的硬度差異趨于減小。

   高熵合金( HEAs )導致了多主元合金( MPEA )概念的激增，從而發現了具有優異力學和功能特性的新型合金。特別是在面心立方( FCC )高熵和中熵合金( MEAs )的背景下，通過創新的合金設計獲得了前所未有的結構性能的報道。最近，CoCrNi MEA被證明在近液氦環境( 20 K 中具有有史以來最高的斷裂韌性。CoCrNi合金如此優異的損傷容限歸因于形變孿晶和相變誘導塑性( TRIP )效應的依次激活。另一種FCC高熵合金Al_0.1 CoCrFeNi在高應變速率拉伸試驗中表現出優異的加工硬化能力，這歸因于納米尺度TRIP和共生非晶化等一系列塑性機制。CoNiV FCC MEA被證明是耐氫的，在暴露于氫環境后，由于氫擴散系數低和形變孿晶的激活，其拉伸強度和延展性降低最小。最近，Han等在CoFeNiTaAl高熵合金中，通過納米孿晶、短程有序/團簇和位錯的聲子拖拽效應使NiCoCrFe高熵合金均勻分散1000 s ^{- 1}的共格有序納米析出相，實現了軟磁和高強韌平衡的獨特結合。同樣，FCC MEA CoNiV中可變形kappa相的存在，被證明可以通過剪切作用同時提高強度，并通過提高接近孿生臨界應力的流變應力來提高塑性，從而動態孿生促進了額外的應變硬化。

   除了戰略性的合金設計外，采用適當的加工工藝，實現細化到納米尺寸的微觀組織，可以進一步提高性能和獨特的功能性，包括強塑性、室溫和/或高應變速率超塑性、顯著的疲勞強度和反磁性。最近，通過磁控濺射和退火制備的FeCoNiCrCu HEA薄膜在微壓縮條件下顯示出與任何單相FCC材料相比最高的屈服強度( 3.4 ~ 4.2 GPa)。這種顯著的強度-塑性協同作用歸因于晶界強化和納米尺度化學波動導致的孿生能力增強。

與傳統的金屬加工技術相比，各種劇烈塑性變形( SPD )技術可以產生優異的顯微組織細化。在不同的SPD技術中，高壓扭轉( HPT )在實現金屬材料中盡可能細的晶粒尺寸方面是最有效的。值得一提的是，HPT加工過程中晶粒細化程度取決于( i )加工參數和( ii )材料特性。關于加工工藝參數對FCC合金晶粒細化程度的影響，有文獻報道了施加的壓縮壓力、旋轉圈數、應變速率和加工溫度對FCC合金晶粒細化程度的影響，部分文獻報道了FCC微合金化元素對FCC合金晶粒細化程度的影響，也有文獻報道了對FCC合金晶粒細化程度的影響。

   在材料特性方面，堆垛層錯能( SFE )和溶質原子對晶格缺陷的釘扎作用可能是影響熔點相當的FCC合金組織細化的兩個最重要特征。溶質效應可以用固溶強化( SSS )來量化，即由溶質原子引起的硬化。關于SFE在HPT加工過程中對微觀組織演變的作用，存在顯著的爭論。例如，Edalati等( 2014 )的研究表明，對于廣泛的純金屬和二元合金，HPT處理后的歸一化晶粒尺寸、d / b ( d為HPT后的晶粒尺寸, b為Burgers矢量的大小)和歸一化SFE、SFE / Gb ( G為剪切模量)之間沒有相關性。相比之下，Mohamed和Dheda ( 2012 )的研究表明，飽和晶粒尺寸取決于材料的層錯能，層錯能越低，晶粒越細小。對Cu - Al合金也做了類似的觀察。然而，對于FCC MPEAs，在理解SFE對晶粒細化程度的作用和研究HPT過程中潛在的變形機制方面還沒有專門的工作。在SSS的作用方面，對于常規合金來說，SSS越高，飽和晶粒尺寸越細被廣泛接受。然而，在FCC多道次ECAP的背景下，缺乏專門的工作來識別SSS在HPT過程中對連續晶粒細化的確切作用。

  很少有工作提及合金設計在改變FCC多道次熱變形過程中塑性機制和晶粒細化方面的作用。例如，Chandan等( 2022 )研究表明，在FeMnCoCr高熵合金中添加Ni可以改變HPT過程中主要的塑性機制，從TRIP轉變為形變孿晶+位錯滑移。古比曹等( 2019 )比較了HPT處理的CoCrFeNi和CoCrFeMnNi MPEAs的晶粒細化程度。CoCrFeMnNi合金的飽和晶粒尺寸比CoCrFeNi合金細化了3倍，這是由于前者的晶格畸變更大。Keil等( 2021 )研究了SSS對一系列合金中飽和晶粒尺寸的影響，從純Ni中的142 nm到Cantor合金中的55 nm。他們得出結論，HPT處理后的最小可實現晶粒尺寸與SSS成反比。然而，他們忽略了通過將材料從純Ni (高SFE : 125 mJ / m² )改變為Cantor合金(中到低SFE : 30 ± 5 mJ / m²) )來改變SFE對晶粒細化的可能作用及其機制。因此，從上述討論中可以看出，在FCC MPEAs中，合金化在晶粒細化程度和塑性機制中的作用應該從SFE變化和SSS兩個方面來研究。

  在合金元素對FCC MPEAs力學行為的影響方面，Si是一種令人著迷的元素，它以意想不到的方式改變了性能。山中等( 2021 )的研究表明，在CoCrFeMnNi基高熵合金中添加Si和Ti均能提高合金的屈服強度和抗拉強度，但Ti的添加會導致合金塑性的降低，而Si的添加也能提高合金的塑性。然而，沒有研究變形的機制來解釋這種有趣的行為。Liu等( 2020 )研究了Si含量對CoCrNi MEA相穩定性和拉伸行為的影響。他們觀察到，當Si的添加量高達6.25 at . %時，單相的FCC結構被保留下來，而在CoCrNi合金中添加9 at . %的Si，導致相分解為sigma相和另一個富CrSi相。有趣的是，在固溶制度下，屈服強度和抗拉強度都有顯著的提高，而沒有延性的損失。合金元素Si的增強歸因于增強的Hall - Petch效應和Si原子周圍局部晶格畸變引起的SSS。Li等( 2022 )最近的一項工作表明，與研究較多的不含Si的CoCrNi合金相比，添加Si的CoCrNi合金在冷軋過程中形成的變形組織更加細小。此外，在添加Si的異質結構CoCrNi MEA中，獲得了優異的低溫拉伸性能，UTS > 1.5 GPa，同時保持了20 %的延展性。同樣，在FeCrAl體系中少量添加Si ( 0.2wt . % )有助于降低AB2型Laves相的形成焓，使其在基體中完全共格析出。從這些討論中可以看出，在FCC MPEAs中添加Si具有巨大的潛力，可以通過激活有趣的變形機制來改善其力學性能。

  盡管上述關于Si在拉伸變形過程中對微觀結構演變和力學性能的作用的文獻已有報道，但關于Si添加對FCC HEAs / MEAs的HPT響應影響的研究尚未見報道。眾所周知，與拉伸或壓縮試驗相比，HPT加工會導致意想不到的變形機制和相變，因此有必要了解Si對HPT加工過程中微觀組織演變和塑性機制的影響�；�于這一動機，我們制備了兩種模型MPEAs，即無Si的( Co₃₃Ni₃₃Cr₁₉Mn₁₅) MEA和添加Si的( Co₃₃Ni₃₃Cr₁₉Mn₁₀Si₅) HEA。有意思的是，我們添加了5 at . %的Si來研究在沒有任何相分解的單相固溶區添加Si對HPT誘導塑性機制的影響。在本工作中，我們針對Si在Co Cr Ni Mn MEA中的作用提出了以下研究問題：

     ( i )Si添加對所研究FCC MPEA中層錯能和晶格畸變的影響。( ii )Si是否改變了HPT過程中的滑移、TWIP、TRIP和晶界介導的變形等塑性機制。( iii )如果Si影響HPT過程中晶粒細化的機制、動力學和程度。( iv )如果塑性機制和隨之而來的微觀組織只在HPT加工的早期階段受到影響，或者這種影響在較大的應變下也會持續。( v )Si是否影響HPT過程中的強化機制。

研究的MPEAs的初始微觀結構：( a )無Si和添加Si的MPEAs的XRD圖譜顯示存在FCC相；( b )無Si，( c )添加Si的MPEAs的反極圖；( d-g ) Si - free和( h-l ) Si - add MPEAs的EDS圖譜。

采用取向分布函數( ODFs )表征HPT處理前試樣的體積織構，其中45 °、65 °和90 °截面分別為：( a )無Si MPEA，( b )添加Si MPEA。

TEM BF照片顯示拉伸變形的(在工程應變為3 %時)無Si MPEA中的位錯，( b )對應的WBDF照片顯示Shockley不全位錯對之間的明顯對比，( c ) TEM BF照片顯示拉伸變形的(在工程應變為3 %時)加Si MPEA中的位錯，( d )對應的WBDF照片顯示Shockley不全位錯對之間的明顯對比；在( b )和( d )，( e )中給出了無Si和添加Si的MPEAs的部分位錯間距與位錯特征角的理論曲線，并將實驗數據疊加在一起。

無Si和添加Si的MPEAs的HPT加工引起的硬度分布沿圓盤直徑的演變。

從HPT處理0.5和5圈后試樣的中心和邊緣位置獲得的XRD圖譜：( a )不含Si的MPEA，( b )含Si的MPEA。

HPT處理試樣的Williamson - Hall圖( a )無Si，( b )添加Si的MPEA；在( c )無Si和( d ) Si添加的MPEAs的邊緣位置，實驗觀察到的和CMWP擬合的5圈HPT加工樣品的XRD圖譜的插圖。

0.5匝HPT處理的無硅MPEA中心出現不均勻變形特征的證據( a )顯示微帶的BF TEM圖像，( b )對應的暗場( DF )圖像和插圖中索引的選區衍射( SAD )圖案，( c )顯示微帶的擴散，( d )顯示形變孿晶的BF TEM圖像，( e )對應的SAD圖案，( f )用( e )中的環繞衍射斑點成像( d )的DF TEM。

HPT處理0.5圈后邊緣位置無Si MPEA的TEM照片( a ) BF TEM照片顯示顯著的晶粒細化，( b )對應的SAD花樣，( c )利用( b )中環繞的衍射斑點產生的DF TEM照片，( d )高倍率BF TEM照片顯示平面斷層，( e ) ( d )中標記區域的HRTEM照片顯示平面斷層為堆垛層錯。

   本工作針對具有單相FCC結構的無Si和添加Si的非等原子Co Cr Mn Ni多主元合金，研究了HPT誘導的塑性機制及其對晶粒細化和硬度演化的影響。以下是本文的主要發現：