1. 引言
在材料科学不断演进的当下，高熵合金凭借其新颖的成分设计和卓越的性能，成为材料领域的研究焦点[1]。传统合金通常由一种或两种主要元素主导，而高熵合金打破这一常规，由多种主元以等原子比或近等原子比构成[2] [3]。这种独特的成分组合赋予高熵合金一系列特殊效应，如高熵效应能够稳定固溶体结构、迟滞扩散效应阻碍原子扩散、晶格畸变效应增强原子间结合力、鸡尾酒效应协同提升合金性能，进而使高熵合金具备优异的综合性能，涵盖高强度、良好塑性、出色的耐腐蚀性以及抗氧化性等[4] [5]。
在众多高熵合金体系里，(CoCrNi)基高熵合金因具备简单的面心立方(FCC)结构和优良的综合性能脱颖而出[6]。其FCC结构赋予合金良好的塑性变形能力，使其在众多工程领域展现出巨大的应用潜力。钇(Y)作为稀土元素中的重要一员，在合金领域具有独特的作用[7] [8]。在多种合金体系中，Y的添加能够细化晶粒，使晶粒尺寸减小，晶界面积增加，从而阻碍位错运动，提升合金强度；同时，Y可以净化晶界，减少杂质元素在晶界的偏聚，降低晶界脆性，提高合金的韧性和高温性能；此外，Y还能增强合金的抗氧化性能，在合金表面形成致密的氧化膜，有效阻止氧气等介质的侵蚀。
鉴于此，将Y引入(CoCrNi)基高熵合金，有望通过Y与其他元素的相互作用，进一步优化合金的组织结构和性能。然而，目前针对Y含量对(CoCrNi)基高熵合金力学性能和拉伸断口形貌影响的研究还不够全面和深入。深入开展这方面的研究，不仅有助于揭示高熵合金的强化与断裂机制，还能为高熵合金在航空航天、汽车制造、能源等关键领域的广泛应用提供有力的理论支撑。
2. 实验设计
2.1. 合金制备
实验采用真空感应熔炼炉来制备(CoCrNi)100−nYn (n = 1, 2, 3, 4, at %)高熵合金。选用纯度不低于99.9%的Co、Cr、Ni和Y金属作为原料，这是确保合金成分精准和性能稳定的基础。在配料环节，依据设计成分进行高精度称量，利用电子天平精确称取各元素，保证称量误差控制在极小范围内。
将称量好的原料放入熔炼炉的坩埚中，随后在高纯氩气保护氛围下进行熔炼。高纯氩气的作用是隔绝空气，防止金属在熔炼过程中被氧化，确保合金成分的准确性和纯净度。熔炼过程中，对熔炼温度和时间进行严格把控。通过热电偶实时监测温度，将熔炼温度控制在合适区间，确保金属充分熔化且成分均匀混合；同时，精确设定熔炼时间，避免熔炼时间过长导致元素烧损或成分偏析，以及熔炼时间过短造成成分混合不充分。熔炼完成后，将均匀的合金液浇铸到铜模中，借助铜模良好的导热性，使合金液快速冷却凝固，从而获得铸态合金试样。为便于区分和研究，分别对四个成分样品进行了命名。将(CoCrNi)99Y1命名为Y-1，(CoCrNi)98Y2命名为Y-2，(CoCrNi)97Y3命名为Y-3，(CoCrNi)96Y4命名为Y-4。通过这样的命名方式，在后续研究中能够清晰地指代不同成分的合金样品，方便对其力学性能、拉伸断口形貌以及其他相关特性进行对比和分析。
2.2. 力学性能测试
使用电子万能试验机对铸态合金试样进行室温拉伸试验。拉伸试样的尺寸按照相关标准加工，拉伸速率为1 × 10−3 s−1。通过拉伸试验，测定合金的屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率等力学性能指标。每个成分的合金试样测试3次，取平均值作为最终结果，以保证数据的准确性和可靠性。
2.3. 拉伸断口表征
拉伸试验结束后，对断口进行扫描电子显微镜(SEM)观察。首先，将断口样品置于超声波清洗器中，利用合适的清洗剂去除表面的氧化层、油污和其他杂质，保证断口表面的清洁度，避免杂质对观察结果产生干扰。
然后，将清洗后的样品固定在SEM样品台上，在不同放大倍数下对断口进行观察。先在低倍下观察断口的宏观形貌，了解断口的整体特征、断裂源位置以及裂纹扩展方向等信息；再切换至高倍，详细分析断口的微观特征，包括韧窝的分布情况、大小尺寸、密集程度以及韧窝内析出相颗粒的数量、尺寸和形态等。通过对断口微观特征的深入分析，结合合金的力学性能数据，探讨合金的断裂机制，揭示断口形貌与力学性能之间的内在联系。
3. 实验结果与分析
3.1. 力学性能结果
通过室温拉伸试验，获得了(CoCrNi)100−nYn (n = 1, 2, 3, 4)高熵合金的各项力学性能数据，具体如表1所示。从表中数据可以清晰地看出，Y-1和Y-2合金的应力极限相近，分别为556.8 MPa和554.2 MPa，但Y-1合金的断裂伸长率达到了68.2%，显著高于Y-2合金的53.6%。这表明在较低Y含量范围内，虽然合金的强度未出现明显差异，但塑性却因Y含量的不同而有所变化。
而Y-3和Y-4合金则呈现出截然不同的力学性能特征。Y-3合金的屈服强度提升至245.9 MPa，Y-4合金更是高达281.2 MPa，相比Y-1和Y-2合金有了大幅提高。然而，它们的断裂伸长率却急剧下降，Y-4合金仅为1.4%，Y-3合金几乎趋近于0，塑性几乎完全丧失。这充分说明随着Y含量的进一步增加，合金的强度得到显著提升，但塑性却受到极大的负面影响。
Table 1. Tensile test result data
表1. 拉伸实验结果数据
合金编号 |
屈服强度(MPa) |
抗拉强度(MPa) |
断裂伸长率(%) |
Y-1 |
222.7 |
556.8 |
68.2 |
Y-2 |
229.3 |
544.1 |
53.6 |
Y-3 |
245.9 |
261.9 |
0.4 |
Y-4 |
281.2 |
317.4 |
1.4 |
3.2. 拉伸曲线分析
图1展示了(CoCrNi)100-nYn高熵合金的拉伸曲线。从曲线中可以直观地观察到不同合金在拉伸过程中的应力–应变变化情况。Y-1和Y-2合金的拉伸曲线在弹性阶段基本重合，表明它们的弹性模量相近。但进入塑性变形阶段后，Y-1合金的曲线斜率下降较为缓慢，说明其在塑性变形过程中能够承受更大的应变，这与Y-1合金较高的断裂伸长率相对应。
Y-3和Y-4合金的拉伸曲线则呈现出明显的高起始屈服应力特征，曲线在弹性阶段后迅速上升至较高的应力水平，随后几乎没有明显的塑性变形阶段就发生断裂，这与它们极低的断裂伸长率一致。这种曲线特征的差异，进一步验证了Y含量对合金力学性能的显著影响。
Figure 1. Tensile curves of (CoCrNi)100-nYn high entropy alloys
图1. (CoCrNi)100−nYn高熵合金的拉伸曲线
3.3. 拉伸断口形貌分析
图2和图3分别为Y-1和Y-2合金拉伸断口的SEM图像。在Y-1合金的断口上(图2)，可以观察到大量分布均匀的韧窝，这是典型的韧性断裂特征。而且，在韧窝内部还存在许多细小的析出相颗粒。这些韧窝的存在表明Y-1合金在拉伸过程中发生了明显的塑性变形，而析出相颗粒则可能通过弥散强化机制对合金的强度起到一定的增强作用。
Figure 2. Y-1 alloy tensile fracture and enlarged view
图2. Y-1合金拉伸断裂断口及放大图
相比之下，Y-2合金的断口(图3)中，韧窝的密集程度明显低于Y-1合金，韧窝内的析出相颗粒数量也较少。这种微观结构的差异，直接导致了Y-2合金在拉伸过程中的塑性变形能力不如Y-1合金，进而使其断裂伸长率较低。
Figure 3. Y-2 alloy tensile fracture and enlarged view
图3. Y-2合金拉伸断裂断口及放大图
综合以上力学性能测试、拉伸曲线分析以及拉伸断口形貌观察结果，可以得出Y含量对(CoCrNi)100−nYn高熵合金的组织结构和性能有着至关重要的影响。适量的Y添加可以在一定程度上改善合金的塑性，而过高的Y含量则会使合金的塑性严重恶化，同时显著提高合金的屈服强度。
3.4. EBSD分析
鉴于Y-1合金在(CoCrNi)100−nYn高熵合金体系中展现出最佳的综合性能，为深入剖析其微观结构特征，采用电子背散射衍射(EBSD)技术对Y-1合金进行了细致表征。
从Y-1合金的EBSD晶粒取向成像图(图4)中，可以直观观察到其晶粒形态与分布特点。Y-1合金的晶粒尺寸呈现出相对均匀的状态，平均晶粒尺寸为100 μm。较大尺寸的晶粒内部位错滑移路径较为顺畅，在拉伸变形过程中，位错能够在晶内充分运动和协调，这为合金发生较大程度的塑性变形提供了有利条件，与Y-1合金高达68.2%的断裂伸长率密切相关。
Figure 4. Y-1 alloy electron backscatter diffraction characterization results
图4. Y-1合金电子背散射衍射表征结果
进一步分析晶界特征，Y-1合金中大角度晶界占比较高，大角度晶界具有较高的能量和结构无序性。在塑性变形时，大角度晶界能够容纳更多的位错堆积，并且可以促进位错在不同晶粒间的传递，使得合金在拉伸过程中变形协调性更好。当材料受到外力作用时，位错在晶内滑移，遇到大角度晶界后，能够通过晶界的调节作用转移到相邻晶粒继续滑移，从而有效避免了局部应力集中，保证了合金整体的塑性变形能力。
同时，EBSD分析还显示Y-1合金的晶粒取向呈现出一定的随机性，没有明显的择优取向。这种随机的晶粒取向分布使得合金在各个方向上的力学性能更加均匀，在承受拉伸载荷时，各个晶粒能够协同变形，共同承担外力，进一步提升了合金的塑性。
结合前文的力学性能测试、拉伸曲线以及拉伸断口形貌分析结果，Y-1合金通过这种均匀的大晶粒尺寸、高比例大角度晶界以及随机的晶粒取向分布，形成了有利于塑性变形的微观结构，实现了良好的强度与塑性的平衡。这不仅揭示了Y-1合金优异性能的微观本质，也为后续优化CoCrNi基高熵合金成分设计和工艺调控提供了重要的微观结构参考依据。
4. 结论
本研究系统地研究了铸态(CoCrNi)100−nYn (n = 1, 2, 3, 4, at %)高熵合金的力学性能和拉伸断口形貌，得出以下主要结论：
1) 力学性能差异显著：在不同Y含量的合金中，Y-1和Y-2呈现出相同的应力极限，但Y-1的断裂伸长率明显更高。这表明在Y含量较低的范围内(n = 1, 2)，Y的添加对合金强度的提升作用不明显，但对塑性有积极影响，能够提高合金的变形能力。而当Y含量增加到n = 3、4时，Y-3和Y-4表现出相对更高的屈服强度，然而塑性几乎完全丧失。这说明过高的Y含量会严重损害合金的塑性，同时显著提高屈服强度，导致合金呈现出脆性断裂的特征。
2) 断口形貌与性能关联紧密：从拉伸断口形貌来看，Y-1样品断口存在大量韧窝，且韧窝内有较多析出相颗粒。韧窝的大量存在是材料发生塑性变形的典型特征，表明Y-1合金具有良好的塑性；而韧窝内的析出相颗粒可能通过弥散强化机制对合金强度有一定贡献。相比之下，Y-2样品的韧窝密集程度较低，韧窝内析出相颗粒也较少。这种微观结构的差异与它们的力学性能相对应，Y-2样品较低的韧窝密集程度和较少的析出相颗粒，使其在拉伸过程中塑性变形能力受限，进而导致断裂伸长率较低。
3) EBSD表征揭示微观本质：对性能最佳的Y-1合金进行EBSD表征发现，其均匀的大晶粒尺寸、高比例大角度晶界以及随机的晶粒取向分布，共同构成了有利于塑性变形的微观结构。大晶粒便于位错滑移，大角度晶界促进位错传递和协调变形，随机晶粒取向保证各向性能均匀，实现了强度与塑性的良好平衡。这为理解(CoCrNi)基高熵合金性能机制提供了微观依据，也为合金成分和工艺优化提供了参考方向。
4) Y含量的关键作用及研究展望：综合研究结果可知，Y含量对(CoCrNi)100−nYn高熵合金的力学性能和拉伸断口形貌有着显著影响。在实际的合金设计和性能优化过程中，必须合理控制Y的添加量，在追求高强度的同时，兼顾合金的塑性，以满足不同工程应用对材料综合性能的要求。未来的研究可以从微观层面深入探究Y在高熵合金中的作用机制，例如通过原子探针断层扫描(APT)等先进技术，研究Y原子在合金中的分布状态以及与其他元素的相互作用；此外，还可以探索Y与其他合金元素的协同效应，进一步优化高熵合金的成分设计，为高熵合金的发展开辟更广阔的空间。