东南大学孙文文教授团队在金属材料顶级期刊《Acta Materialia》上以“A new strong pearlitic multi-principal element alloy to withstand wear at elevated temperatures”为题发表学术论文，研究团队在FeCoNiTi基高熵合金中提出了一种通过经典共析转变（A→B+C）而形成的珠光体结构，用以提升珠光体组织在室温以及一系列高温环境下的耐磨性能以及热稳定性。
磨损被列为材料三大失效方式（断裂、腐蚀、磨损）之一，不仅造成巨大的能源浪费，同时造成设备、器件、材料的不可逆损耗，因此耐磨材料是制造业中至关重要的材料。以良好的耐磨性能和高强度著称的珠光体钢是由Sorby在100多年前发现的，它具有由铁素体和渗碳体组成的纳米片层状结构，在经历滑动磨损过程中，铁素体和渗碳体片层可沿应力方向变形并重新排列。这种片层取向随应力施加方向的变化增加了硬质渗碳体片层在接触面的面积分数，从而导致珠光体结构的高耐磨性能，珠光体钢是广泛应用于铁轨的材料之一。钢中的间隙C原子在珠光体结构的形成过程中起重要作用，但它们在高温下扩散速率极高，因此当珠光体钢在较高温度下服役时，渗碳体相将粗化并球化，甚至发生失稳而导致相分解，从而使高耐磨性能和高强度发生损失。由于上述原因，珠光体钢无法满足在较高温度下工作的耐磨部件对耐磨性能的需求。因此，在高温下仍然保持层状结构稳定是值得探索的方向,这可拓宽珠光体结构的使用温度区间以及应用场合。
自1995年以来，出现了一种新类型的合金—— 高熵合金。与传统的以单一元素作为主要元素的单主元合金相比，高熵合金具有独特的迟滞扩散效应，迟滞扩散效应可赋予多主元合金在高温下的结构稳定性。另外，高熵合金中严重的晶格畸变也使其具有较高的强度。因此，高熵合金可在较高温度下仍具备高强度和抗软化能力。若在高熵合金中通过共析转变的方式形成珠光体组织，由于迟滞扩散效应，它将比珠光体钢具有更高的热稳定性，这将为传统耐磨材料在高温服役时硬度和耐磨性能显著降低的现状提供了解决途径。
该研究发现，与钢铁材料的相变相似，高熵合金中也可以发生共析反应而产生珠光体结构，共析转变发生于500°C至650°C，共析反应为FCC→BCC+Ni3Ti， 片层结构由BCC相和Ni3Ti相片层交替排列而成。由于高熵合金中的迟滞扩散效应导致高熵珠光体的片层状结构比钢中珠光体更精细（如图1所示），因此珠光体高熵合金的硬度更高且在500°C和550°C时具备良好的热稳定性（如图2所示）。同时 ，与钢中的珠光体结构类似，多主元珠光体的片层间距也随共析转变温度的升高而增大，同时硬度随片层间距的增大而降低，变化趋势可见图3a。
图1 多主元合金中层片状珠光体结构
图2 珠光体型多主元合金稳定性
作者发现，该珠光体高熵合金不仅在室温下具备优异的耐磨性能（磨损率~2×10-5mm3/Nm），在550℃与600℃的环境下耐磨性能依然良好（磨损率<3×10-5mm3/Nm），多主元珠光体在室温及高温下磨损率分别如图3a和b所示，低于相同温度下一系列高速钢或已开发的耐磨多主元合金。磨料磨损是该高熵合金在室温下的主要磨损机制，磨损速率与硬度呈典型的负相关关系，符合Archard定律。氧化和剥层磨损是该合金在高温下的主要磨损机制，这是因为在磨痕表面形成了致密的保护性氧化层，以及具有足够热强度和热稳定性的高加工硬化纳米再结晶层。因此，高熵合金中的珠光体结构是一种值得进一步研究和优化的具有极端环境应用前景的高性能结构，同时该研究为耐磨多主元合金的开发提供了新的思路。
图3 珠光体型多主元合金的耐磨性能
东南大学材料科学与工程学院为第一完成单位，安旭龙博士为第一作者，本科生刘正迪为第二作者，孙文文教授为唯一通讯作者。该工作获得江苏省自然科学基金青年项目和国家自然科学期金青年项目的支持。
供稿：材料科学与工程学院