摘要：本文系统研究了通过激光粉末床熔融（LPBF）制备的Fe₆₀(CoCrNiMn)₄₀高熵合金在微观结构与力学性能各向异性之间的内在联系。研究显示，LPBF工艺过程中由于温度梯度与反复热循环的作用，样品沿构建方向形成了明显的柱状晶粒（纵横比约0.35）和强烈的

高熵合金

美好的一天 从早读开始

本文系统研究了通过激光粉末床熔融（LPBF）制备的Fe₆₀(CoCrNiMn)₄₀高熵合金在微观结构与力学性能各向异性之间的内在联系。研究显示，LPBF工艺过程中由于温度梯度与反复热循环的作用，样品沿构建方向形成了明显的柱状晶粒（纵横比约0.35）和强烈的织构（织构强度约15.7），从而导致力学行为呈现显著的方向依赖性。实验结果表明，垂直于构建方向（HS0）的样品具有较高的拉伸强度（约590 MPa）和较低的断裂应变（约50%），而平行于构建方向（HS90）的样品则表现出较低的强度（约500 MPa）和较高的断裂应变（约80%）。作者通过准原位电子背散射衍射（EBSD）技术详细表征了不同应变下微观结构的演变，并建立了反映异质特征的晶体塑性有限元（CPFE）模型，对晶粒形态、织构及位错亚结构在变形过程中的作用进行了定量分析。模拟结果与实验数据吻合良好，揭示了在变形早期，各向异性主要源于晶粒形态与织构的协同效应；而在变形后期，HS0样品中向的织构转变激活了具有高泰勒因子的变形孪生，促进了位错存储与持续强化，而HS90样品中稳定的织构则抑制了孪生行为，促进了动态恢复主导的位错湮灭，从而弱化了应变强化能力。该研究为深入理解增材制造高熵合金各向异性行为的微观机理提供了重要的实验依据与模拟支持。

创新点

小编精选文章创新点

本文创新性地将准原位EBSD表征与晶体塑性有限元模拟相结合，系统量化了LPBF制备Fe₆₀(CoCrNiMn)₄₀高熵合金中晶粒形态、织构与变形孪生对不同取向样品力学响应的影响，揭示了各向异性行为在变形早、晚阶段的主导机制及其转变过程。

文章封面·部分截图

①小编能力有限，提供文章每日速读，解读内容仅供参考，学到的写作思路在文末。

②文献来源于公开发表网站，如有侵权，请及时后台联系。同时，致谢原作者。

③原文链接在文末，点击文末左下角蓝字“阅读原文”即可跳转，或者后台联系小编获取原文件。

部分内容解读

01

图1：展示了实验所用混合粉末的SEM形貌与粒径分布（D₁₀=18.7 μm，D₅₀=32.4 μm，D₉₀=52.5 μm）。图中还包括LPBF工艺示意图及关键参数（激光功率200 W，扫描速度500 mm/s，扫描间距70 μm，层厚30 μm）。此外，给出了狗骨状拉伸试样的几何尺寸及其在构建平台上的取样方向（HS0和HS90），为后续力学测试与微观分析提供基础。

02

图2：通过OM和SEM图像呈现了LPBF制备样品的三维微观形貌，显示X-Y截面呈棋盘状图案，X-Z截面为沿构建方向延伸的柱状晶。XRD图谱确认样品为单一FCC相，且不同截面衍射峰强度存在差异。TEM图像进一步揭示了细胞状（约0.43 μm）和柱状（约0.72 μm）亚结构，以及高密度位错墙和细胞边界处Mn元素偏析与纳米氧化物颗粒的存在，这些微观特征共同影响材料的各向异性行为。

03

图3：EBSD反极图（IPF）与极图（PF）分别展示了HS0和HS90样品的晶粒取向与织构特征。HS0样品呈现出织构（强度13.6），晶粒尺寸较小（28.2 μm）且纵横比较高（0.5）；HS90样品则具有更强的织构（强度15.7），晶粒尺寸较大（42.6 μm）且纵横比较低（0.35）。这些数据为后续CPFE建模提供了关键的初始微观结构参数。

04

图4：工程应力-应变曲线清晰显示了HS0和HS90样品在力学性能上的各向异性：HS0具有更高的屈服强度与极限强度（约590 MPa），但断裂应变较低（约50%）；HS90强度较低（约500 MPa），断裂应变却高达80%。加工硬化率曲线进一步表明，HS0在初始阶段硬化率更高，而在应变超过32%后，HS90的硬化率反超，反映出两者在不同变形阶段的强化机制存在显著差异。

05

图5：通过准原位EBSD分析了HS0和HS90在不同应变（0%、5%、15%、30%）下的微观结构演变。HS0在15%应变时即出现变形孪生，而HS90直至30%应变才出现明显孪生；统计显示HS0的孪生分数（9.5%）远高于HS90（3.2%）。同时，IPF图显示HS0中初始织构随应变逐渐向方向旋转，而HS90的织构则保持稳定，体现了织构对变形模式的调控作用。

06

图6：KAM（核平均误取向）图与GND（几何必需位错）密度统计揭示了HS0和HS90在不同应变下的局部变形行为。HS0表现出更高的KAM值与GND密度，尤其是在柱状晶与细等轴晶交替区域，说明其位错积累更为显著，晶界与亚结构对位错运动的阻碍作用更强，从而影响了材料的硬化行为与各向异性。

07

图7：断裂样品的IPF图与极图分析了变形孪生（DTs）与母晶的取向关系。HS0中形成交叉孪生结构，而HS90则以平行孪生为主；极图显示孪生导致与双纤维织构的形成，进一步说明了不同织构背景下孪生模式及其对力学响应的差异化影响。

08

图8：泰勒因子（TF）分布图显示HS0初始平均TF为3.28，HS90为2.49，表明织构对流动应力的贡献更大。变形后，高TF区域更易形成孪生，且HS0中TF随应变下降，而HS90中TF反升，反映出织构演变与孪生激活之间的内在关联，是导致各向异性应变硬化行为的关键因素。

09

图9：展示了基于Voronoi镶嵌构建的具有不同纵横比（b/a=0.35、0.1、1）的RVE（代表体积元）CPFE模型，以及晶粒取向分配与边界条件设置。模型通过Python脚本将EBSD测得的真实取向赋予各晶粒，确保了模拟的几何与晶体学真实性，为后续各向异性力学行为模拟奠定基础。

10

图10：实验与模拟的应力-应变曲线及加工硬化率对比验证了CPFE模型的有效性。网格敏感性分析表明，当网格尺寸小于5 μm时，模拟结果趋于稳定，因此选用5 μm进行后续计算，保证了模拟精度与计算效率的平衡。

11

图11：冯米塞斯应力分布模拟显示，HS0和HS90在不同应变下均出现应力集中现象，且主要集中在晶界区域。特定晶粒（如晶粒A与B）的应力分布差异突出了晶体取向对滑移激活与局部应力分配的显著影响，说明织构与晶界共同调控了多晶体的非均匀变形行为。

12

图12：位错密度分布图显示，在5%应变下，HS0的位错密度（4.9×10¹⁴ m⁻²）高于HS90（4.2×10¹⁴ m⁻²）。沿路径AA'的位错密度增量与主应变分布高度一致，进一步证实了晶界处应变局部化与位错积累的密切关联，揭示了微观变形不均匀性的物理本质。

13

图13：不同纵横比RVE模型（b/a=0.1和1）的模拟应力-应变曲线显示，柱状晶粒（b/a=0.1）表现出更明显的各向异性（AR=1.24），而等轴晶粒（b/a=1）各向异性较弱（AR=1.02）。减小纵横比可提高屈服强度与硬化率，说明晶粒形态通过影响位错平均自由程进而调控材料的宏观力学响应。

14

图14：单晶位错密度演化模拟表明，柱状晶粒（b/a=0.1）在应变过程中位错密度增长更快（从4.23×10¹⁴增至5.50×10¹⁴ m⁻²），而等轴晶粒（b/a=1）增长较缓。有效晶粒尺寸越小，位错存储能力越强，这为理解晶粒形态对硬化行为的影响提供了微观依据。

15

图15：不同织构（与）对硬化贡献的模拟结果显示，织构在20%应变下的强化贡献为24.2%，高于织构的18.8%。这说明初始织构类型是导致力学各向异性的重要因素，且其影响在应变硬化阶段尤为突出。

16

图16：CPFE模拟预测的孪生体积分数与实验结果吻合良好，HS0的孪生分数明显高于HS90。进一步提取//和//加载方向的晶粒进行分析，显示前者更易激活多系孪生，尤其是(111)孪生系统，从而通过孪生交叉增强应变硬化能力。

17

图17：通过TEM图像与变形机制示意图总结了HS0和HS90的差异：HS0中形成交叉孪生结构，促进位错积累与持续强化；HS90中平行孪生有助于应力分散，延缓颈缩，从而提高塑性。图示清晰展示了两者在不同变形阶段位错活动与孪生激活的演变序列。

文章总结 / Conclusion

本研究通过实验与晶体塑性有限元模拟相结合，系统阐明了LPBF制备Fe₆₀(CoCrNiMn)₄₀高熵合金的微观结构各向异性（包括柱状晶粒与强织构）导致力学性能呈现显著方向依赖性：HS0样品具有较高强度（约590 MPa）与较低断裂应变（约50%），而HS90样品强度较低（约500 MPa）但断裂应变高达80%。变形早期，各向异性主要受晶粒形态与织构协同效应控制；变形后期，HS0中向织构转变激活高泰勒因子孪生，增强位错存储与持续强化，而HS90中稳定织构抑制孪生，促进动态恢复主导的位错湮灭，从而弱化应变强化。CPFE模型定量揭示了晶粒形态、织构与孪生对力学各向异性的个体贡献，为增材制造高熵合金的微观结构设计与性能调控提供了理论依据。

往期好文·欢迎阅读

昆明理工大学 | JAC | 强度1170 MPa，延伸率近10%！Cu-15Ni-8Sn合金新突破

浙江大学 | IJF | 非常实用的研究，看机器学习如何预测高温合金裂纹，该框架支持通过原位 SEM 进行实时疲劳裂纹监测

浙大&北科北理、印度、埃及等单位 | JAC | 1600 MPa强度+20%塑性：通过冷轧与控温退火调控高熵合金的强塑性协同

长春工业大学 | Intermetallics | 机械合金化+热压烧结：TiAl实现236.7%超塑性

你的点赞，是我创作最大的动力

欢迎投稿，如有侵权，请及时联系

本文带给你的创作思路

idea

① 将类似的CPFE建模方法与准原位EBSD技术应用于其他LPBF制备的非等原子比高熵合金体系，研究元素偏析与析出相对各向异性变形机制的影响。

② 结合多尺度模拟（如相场法与CPFE耦合），探讨LPBF工艺参数（如扫描策略与热输入）对晶粒形态与织构演变的调控作用，并预测其力学性能。

文章信息

发布日期：2025年08月12日
文章标题：Correlation between microstructure and anisotropic mechanical behavior of Fe-riched FeCoCrNiMn high-entropy alloy prepared via laser powder bed fusion: Experimental and crystal plasticity finite element analysis

来源：江苏激光联盟