一、研究背景及意义
高熵合金（HEAs）因多主元成分设计、广阔的成分空间及优异力学性能，在微观结构、力学特性及内在机制方面备受关注。 metastable 体心立方（BCC）型 HfZrTiTa 系列高熵合金通过亚稳态工程策略研发，降低 Ta 含量后形成六方密堆积（HCP）与不稳定 BCC 相交织的复合结构，准静态加载下 BCC 向 HCP 的相变赋予其出色的强韧性配合。但极端条件下，超高速冲击带来的超高应变率与复杂应力状态可能催生新的变形机制，而此类 BCC 高熵合金在该场景下的相变行为尚未被深入研究。本研究填补了这一空白，明确了冲击载荷下的相变规律，为其作为国防领域高强度含能结构材料的应用提供了关键理论支撑。
二、成果速览
研究材料为 metastable BCC 高熵合金 HfZrTiTa₀.₅₃，采用纯度＞99.9% 的原料经真空吸铸及六次熔铸处理制备，成分分布均匀无偏析，平均晶粒尺寸约 140μm，初始密度 9.358g/cm³，准静态拉伸下屈服强度 542MPa、均匀延伸率 0.4，兼具高强度与高延展性；其优越性能源于冲击载荷下 BCC 向 HCP 的无扩散马氏体相变，且因超高应变率与复杂应力激发两种取向关系，相变有效抑制早期开裂并产生强烈应变硬化，同时扩散型相界面阻碍位错运动，进一步优化力学性能。
三、主要图表介绍
图 1 包含四部分关键信息：（a）为铸态 HfZrTiTa₀.₅₃的电子背散射衍射（EBSD）逆极图（IPF），证实材料为单一 BCC 相；（b）和（c）分别为微米级能谱（EDS）与纳米级扫描透射电镜（STEM）-EDS 元素分布图，显示 Hf、Zr、Ta、Ti 四种元素在晶粒内部及晶界均无明显偏析；（d）是平板冲击实验装置示意图，清晰标注了炮管、激光多普勒测速仪、飞片、样品等核心组件及布局；（e）为两种冲击速度（600m/s 和 288m/s）下的自由表面速度时程曲线，呈现典型的弹塑性双波结构，包含弹性前驱波、塑性冲击波、冲击平台、卸载波及层裂回跳等特征阶段。
图 2 为冲击后样品表面的 EBSD 表征结果：（a）的带衬度图显示 BCC 基体中嵌入大量交错分布的 HCP 片状结构，直观证明冲击诱导 BCC-HCP 相变；（b）（d）为两个放大区域的 IPF 图，（c）（e）为对应区域的相图，明确了 BCC 与 HCP 相的空间分布；（f）（g）分别为不同区域的极图，通过极点重合性分析揭示两种取向关系，其中区域 1 符合准静态下的 Pitsch-Schrader 关系，区域 2 和 3 呈现新的取向关系；（h）（i）则以示意图形式直观展示了这两种 BCC 与 HCP 相之间的晶体学取向对应关系。
图 3 为冲击后样品的透射电镜（TEM）相关表征结果：（a）显示存在多种延伸方向、宽度介于 50nm 至数微米的 HCP 片层；（c）为 [001] BCC 晶带轴下的选区电子衍射（SAED）图谱，包含 BCC 与 HCP 相的衍射斑，证实相变发生；（d）（e）的高分辨 TEM（HRTEM）图像及傅里叶变换图谱，清晰呈现原子排列结构并识别出 HCP 相的不同变体；（f）（g）为 [111] BCC 晶带轴下的 SAED 图谱与傅里叶变换图谱，进一步验证了新取向关系；（h）的 STEM-EDS 元素分布图显示相界处无元素偏析，与铸态样品的成分均匀性一致。
图 4 聚焦相变路径的第一性原理计算分析：（a）（b）分别展示了 BCC 相和 HCP 相的初始与最终原子构型，明确了原子协同运动的相变路径；（c）为基于 CASTEP 代码计算的两条相变路径能量曲线，纵坐标为相对于初始 BCC 相的能量，横坐标为归一化距离，曲线显示 Pitsch-Schrader 取向关系的相变激活能（0.37eV）更低，而新取向关系的激活能更高，从能量角度解释了两种取向关系的形成机制与难易程度。
四、主要结论
本研究通过平板冲击实验、原位测速、微观结构表征及第一性原理计算，系统探究了 metastable BCC 高熵合金 HfZrTiTa₀.₅₃在冲击载荷下的相变行为，发现超高速冲击诱导的 BCC 向 HCP 相变涉及两种取向关系，其一为 Quasi-static 加载下已发现的 Pitsch-Schrader 关系，其二为新发现的取向关系，后者因超高应变率与复杂高应力状态被激活，且具有更高的相变激活能；冲击诱导的 HCP 相可通过抑制早期开裂和强化应变硬化提升材料层裂强度，无扩散马氏体相变及均匀的成分分布是材料保持优异力学性能的关键，该研究为理解极端条件下高熵合金的变形机制提供了重要依据。
五、期刊信息
期刊名：Scripta MaterialiaDOI 号：10.1016/j.scriptamat.2024.116007
文章题目：Orientation relationships of impact-induced phase transformation in high entropy alloy HfZrTiTa₀.₅₃
