高熵合金成为Nature、Science常客？暨上大之后 金属所卢磊又一篇

上个月，我们报道了上海大学钟云波教授团队联合北京科技大学王沿东教授团队发表的一篇Science。该文展示了一种定向凝固的原位复合材料-共晶高熵合金（EHEA），成功地协调了裂纹容限和高延伸率。近期，金属所卢磊研究员团队在Science发表了一篇高熵合金的最新研究成果。

在高熵合金及梯度材料领域，卢磊研究员团队已经收获多篇Nature、Science。

2018年，卢磊团队发现增加结构梯度可实现梯度纳米孪晶结构材料强度—加工硬化的协同提高，甚至可超过梯度微观结构中最强的部分。梯度纳米孪晶强化的概念结合了多尺度结构梯度，进一步提高了材料的强度极限，并为发展新一代高强度/延性金属材料提供了新思路。（DOI: 10.1126/science.aau1925）

2017年，卢磊团队发现具有晶体学对称结构的纳米孪晶金属不但具有循环稳定响应而且疲劳累计损伤非常有限。这种具有独特的稳定循环响应特征和有限累计损伤的纳米结构为发展抗疲劳损伤的高性能工程金属材料提供了新思路。（DOI:10.1038/nature24266 ）

接下来，我们一起来看看这篇最新Science。

【研究背景】

由于迄今为止所报道的高熵合金(HEAs)的基本塑性变形特征和机理与传统金属相似，所以HEAs的强度和塑性之间存在矛盾。在传统金属中，材料的塑性由线缺陷和面缺陷,例如位错、孪晶以及晶界的运动提供，而强度则需要有强有力的障碍物阻碍这些缺陷的运动，例如全位错以及孪晶与不同结构缺陷(如高角度晶界(HAGBs)或孪晶界(TBs))相关的相互作用，导致它们的运动受阻。与传统合金不同的是，高熵合金中存在化学短程有序(SRO)和空间可变层错能(SFE)在原子尺度上的局部不均匀性，导致一些不寻常的位错行为，例如变化的位错滑移模式，以及对位错运动/积累摩擦阻力的增强。这种现象主要是由于纳米尺度(通常<3 nm)的局部浓度波动或局部SRO所致，一般认为其有助于改善材料的力学性能。到目前为止，尽管很多文献报道了在高熵合金中同时提高强塑性的方法，但本文提出的则为一种新的策略，机理上不同于以前的策略。

【成果简介】

多主元高熵合金的强度提高往往伴随塑性的降低，这种强塑性相互矛盾主要来源于金属材料的塑性变形机理。即材料中的线缺陷，如位错的运动贡献塑性，但位错的堆垛与塞积则贡献强度。近期，金属所沈阳材料科学国家研究中心卢磊研究员团队与美国田纳西大学、橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室的科学家合作在这一科学难题研究方面取得重要进展。研究人员通过小角度往复扭转梯度塑性变形技术，在Al_0.1CoCrFeNi高熵合金中引入梯度位错胞稳定结构，同时保持其原始晶粒的形貌、尺寸和取向不变。拉伸力学测试结果表明：这种新型结构不仅显著提高材料屈服强度，是粗晶和细晶材料的2-3倍。同时还使其保持良好的塑性和稳定均匀的加工硬化。其强塑积-屈服强度匹配明显优于文献报道中相同成分的均匀或梯度结构材料。对变形机理的研究结果表明：从材料的顶部表面到心部，合金在变形过程中存在显著的连续硬化。这种硬化特性与梯度纳米晶常规金属的变形诱导连续软化的机制有很大的不同。高熵合金中梯度位错结构在塑性变形过程中激活了不全位错--层错的相互作用，从而诱导塑性变形机制。在变形初期，纳米级别的细小层错从位错胞壁形核、然后不断滑移并扩展，其密度随拉伸应变增加而增加，逐渐演变成超高密度三维层错（和少量孪晶界）网格，直至布满整个晶粒。超高密度细小层错/孪晶的形成与位错相互作用，协调变形。一方面有效促进了其塑性变形并进一步细化初始位错结构、阻碍其它缺陷运动而贡献强度。另一方面，层错和孪晶的形成阻碍了位错的平均自由程，增加了合金内部缺陷的密度，从而导致合计超级的加工硬化，提高了整体的塑性变形。相关研究结果于9月23日在《科学》（Science）周刊上以First Release形式在线发布。

【 图文导读】

图1 Al_0.1CoCrFeNi高熵合金中典型梯度位错结构；(A, B) 经循环扭转处理(扭转角振幅为20)的Al_0.1CoCrFeNi HEA横截面的EBSD图像，显示了晶粒尺度、形貌以及取向(A)和三种类型的晶界(即HAGB，与心部(G, H)相比，在距表面约1.2 mm深度内，LAB和TB的取向角度(B)不同；(C)梯度分布的低角度位错结构示意图; (D) 循环扭转处理后样品表面对应位错结构的明场TEM图像(如图A, C所示)。图中每个细胞壁的取向差角用透射电镜电子处理衍射技术测量并表示，左上方的插入是相应的SAED图；(E) 典型的位错细胞结构; (F) 沿着(D)中的实白色线箭头，测量相对于原点的q取向差角度的变化图；

图2 梯度位错结构Al_0.1CoCrFeNi高熵合金的力学性能；（A）GDS（梯度位错胞结构）、CG（粗晶）和FG（细晶）试样的拉伸工程应力-应变曲线；（B）GDS样品的加工硬化速率和真应变关系；（C）GDS样品经循环扭转和40%拉伸应变后的显微硬度沿顶面至内部的变化规律；（D）GDS Al_0.1CoCrFeNi HEA的强度和延性与屈服强度与文献中报道的均质和梯度晶粒结构的样品以及其他具有梯度分布纳米晶粒和纳米孪晶的金属和合金性能的比较。

图3 拉伸应变为3%时GDS-H Al_0.1CoCrFeNi HEA的变形组织；(A, B)显示了拉伸后距表面~1.2 mm深度内晶粒尺度形态、取向(A)和三种不同取向角(B)分布情况，并与心部(H, I)的分布情况进行了对比；相应的SEM (C, D)和明场TEM (E)图像显示了广泛存在的数十微米长的致密SF束，如白色箭头所示，它们穿过多个位错细胞结构；(E)中的插图是SFs中包含平行条纹(沿[111]方向，由白色箭头标记)的相应SAED衍射普。(F) 像差校正的高角暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像，从相对较低位错密度的位错-细胞壁附近的束中获取，揭示了超高密度的SFs和TBs；(G) HAADF-STEM的放大图像，显示出许多纳米尺度的SF或孪晶。(F-G)中的实线和虚线分别表示SF/TBs和(111)平面；(J-K)样品心部对应的SEM (J)和TEM (K)图像呈现平面滑移诱导的平行位错形貌。(C)中带有双箭头的白线表示载荷轴(LA)。

图4 GDS-H Al_0.1CoCrFeNi HEA在40%拉伸应变下的变形特征和单轴拉伸时的原位中子衍射图；（A，B）SEM和TEM图像显示在整个晶粒内部有高密度的SF束(白色箭头所示)；(C)原子分辨率HAADF-STEM图像显示了超高密度的SF和倾斜于短SF的孪晶。(C)中的实线和虚线分别表示SF/TBs和(111)平面；(D) 通过原位中子衍射实验，研究了GDS-H和FG样品中(111)//LA和(222)//LA晶粒的晶格应变随工程应变的变化规律。

论文链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abj8114.

本文由虚谷纳物供稿。