1. 简介
本文通过平板冲击实验、原位自由表面速度测量、事后显微结构表征以及第一性原理计算，研究了亚稳态体心立方（BCC）高熵合金HfZrTiTa0.53中的相变行为。实验观察到冲击载荷诱导的BCC向六方密排（HCP）相变。与准静态加载下单一的Pitsch-Schrader取向关系不同，在超高应变率和平面冲击产生的复杂应力条件下，相变还涉及另一种具有更高激活能垒的取向关系。
2. 文章亮点
1. 发现冲击载荷诱导的双取向关系相变
在亚稳态BCC高熵合金HfZrTiTa0.53中，首次观察到冲击载荷下BCC→HCP相变的两种取向关系：除准静态加载已知的Pitsch-Schrader关系外，还发现一种新的高能垒取向关系（{011}BCC∥{1101}HCP，⟨111⟩BCC∥⟨011̅1⟩HCP），揭示了超高应变率与复杂应力状态对相变路径的调控机制。
2. 揭示动态条件下相变机制的应变率依赖性
通过平板冲击实验结合第一性原理计算，证实动态载荷下高熵合金的相变机制与准静态条件存在显著差异。高应变率激活了传统条件下难以发生的相变路径，为理解极端载荷下的材料行为提供了新视角。
3. 证实HCP相提升抗层裂性能的协同效应
实验测得合金的层裂强度高达3.72 GPa，表明冲击诱导的HCP相通过抑制裂纹萌生和促进应变硬化显著增强材料动态抗损伤能力，为高熵合金在抗冲击应用中的设计提供了理论依据。
3. 研究背景
高熵合金（HEAs）由多种主元元素以等摩尔或近等摩尔比例组成。由于其广阔的设计窗口、无限的成分空间以及优异的力学性能，HEAs在微观结构、力学行为及内在机制方面的研究日益受到关注。
在众多HEAs中，基于亚稳态工程策略开发的体心立方（BCC）型HfZrTiTa合金通过降低Ta含量，成功构建了由六方密排（HCP）相和力学不稳定的BCC相组成的复合结构。在准静态拉伸下，BCC-HCP相变显著提升了合金的强塑性组合。原位高分辨透射电镜（HRTEM）观察进一步揭示了HfZrTiTa0.5 HEA中基体与HCP相之间异常宽的相界面。
与一维应力加载下的低/中应变率不同，超高应变率与复杂高应力条件可能引发新的变形机制。例如，动态等通道角挤压在单晶铝中观测到应变率~10^6 s^-1、剪切应变200%条件下的宏观变形孪晶；面心立方（FCC）HEA CrMnFeCoNi和中熵合金（MEA）CoCrNi在动态剪切中发生固态非晶化或分子动力学（MD）模拟中观察到非晶转变；增材制造的单相FCC合金Co10Mn10Fe60Co10Ni10在冲击压缩下则同时出现FCC→BCC和FCC→HCP相变。尽管HfZrTiTa0.53作为高强含能结构材料在国防领域潜力显著，但关于BCC型HEAs在超高应变率冲击下的变形机制（尤其是相变行为）的研究仍属空白。两个核心问题亟待解决：HfZrTiTa0.53在冲击加载下是否发生BCC→HCP相变？若存在，其相变机制是否与应变率和应力状态无关?
本研究通过平板冲击实验，结合原位自由表面速度测量、事后显微结构表征和第一性原理计算，揭示了亚稳态BCC高熵合金HfZrTiTa0.53在冲击载荷下的相变行为。结果表明：相较于准静态加载中单一的Pitsch-Schrader取向关系，冲击条件下因超高应变率和复杂应力状态，相变还涉及另一种具有更高激活能垒的取向关系。此外，冲击诱导的HCP相对层裂损伤的影响亦被讨论。
4. 图文解析
图1. (a) 铸态HfZrTiTa0.53的逆极图(IPF)；(b, c) Hf、Zr、Ta和Ti的元素分布图。(d) 平板冲击实验装置示意图：1：炮管；2：磁感应测速仪；3：聚碳酸酯弹托；4：飞片；5：样品；6：动量捕获环；7：薄膜反射镜；8：连接激光多普勒测速仪的光学透镜；9：回收筒；10：卸载波凹槽。(e) 两种不同冲击速度下的自由表面速度历程𝑢fs(𝑡)。
图2. 冲击表面1的EBSD表征。(a) 带对比度图；(b, d) 两个放大区域的IPF图；(c, e) 对应的相图。(f, g) 区域1-3中HCP相与BCC基体的极图。(h, i) BCC与HCP相之间两种不同取向关系的示意图。扫描步长：(a) 0.25 μm，(b-e) 0.15 μm。
图3. 冲击后样品的TEM图像、STEM-EDS元素分布图、SAED及傅里叶变换衍射图。(a-e) 沿[001]BCC晶带轴；(f, g) 沿[111]BCC晶带轴。SAED和傅里叶变换图中，BCC相用黄色实线标注，HCP相用红色虚线标注。
图4. (a, b) BCC与HCP相的初始和最终原子构型；(c) 基于CASTEP计算的两种相变路径能量变化。E为相对于初始BCC相的能量，P-S表示Pitsch-Schrader取向关系。蓝色和红色原子分别代表立方体中心与顶角原子。
5. 文章结论
本研究通过平板冲击实验、原位自由表面速度测量、事后显微结构表征及第一性原理计算，系统研究了亚稳态体心立方（BCC）高熵合金HfZrTiTa0.53在冲击载荷下的相变行为。实验结果表明，冲击加载诱导了BCC向六方密排（HCP）的相变。与准静态加载下仅观察到的单一Pitsch-Schrader取向关系不同，在超高应变率和平面冲击产生的复杂应力条件下，相变还涉及另一种具有更高激活能垒的取向关系：{011}BCC∥{1101}HCP且⟨111⟩BCC∥⟨011̅1⟩HCP。
第一性原理计算揭示了两种相变路径的能量差异：Pitsch-Schrader路径的能垒较低，而新发现的路径能垒较高。这表明在极端动态加载条件下，高应力与应变率的协同作用能够激活传统条件下难以发生的相变机制。此外，冲击诱导的HCP相通过抑制裂纹萌生和促进应变硬化，显著提升了合金的抗层裂强度（实验测得最高达3.72 GPa）。
本研究不仅为理解高熵合金在动态载荷下的相变机制提供了新视角，也证实了应变率和应力状态对相变路径的调控作用，为设计抗冲击高熵合金提供了理论依据。
全文链接
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116007
