Nat. Commun.：亞穩高熵合金中的孿晶

【引言】

孿生是高熵合金，同時提高強度和延展性的基本機制，但其機理研究仍不明確。因為在室溫和低溫條件下，許多高熵合金機械和熱力學性能是不穩定的，給孿生現象和其理論模型研究增加了難度。本文采用第一性原理的計算方法，研究了高熵合金中孿晶的產生原因，解釋了塑性變形機制不適合高熵合金的原因。

【成果簡介】

近日，瑞典皇家理工學院的Shuo Huang和Levente Vitos，以及韓國浦項科技大學的Se Kyun Kwon（共同通訊）作者等人，采用第一性原理的有效能壘計算的方法，揭示了高熵合金中孿晶的起源。證明了孿晶是亞穩態面心立方合金的主要變形模式，其分數超過了先前文獻中的上限值。目前金屬可塑性的發展，為優化高熵合金中亞穩態孿晶，調整工程材料的機械響應提供了機會。相關成果以“Twinning in metastable high-entropy alloys”為題發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖 1 室溫下，Fe_80-xMn_xCo₁₀C₁₀合金的成分與有效勢壘差（γ(-)_SF-γ(-)_TW）的關系圖

圖 2 溫度與有效能壘差（γ(-)_SF-γ(-)_TW）的關系圖

（a）Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀合金的溫度與有效能壘差（γ(-)_SF-γ(-)_TW）的關系圖；

（b）CrMnFeCoNi合金的溫度與有效能壘差（γ(-)_SF-γ(-)_TW）的關系圖；

（c）CrCoNi合金的溫度與有效能壘差（γ(-)_SF-γ(-)_TW）的關系圖。

圖 3 室溫下，Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀合金、CrMnFeCoNi合金和CrCoNi合金的廣義堆垛層錯能量曲線圖

（a）局部錯位的Burgers矢量 圖；

（b）有效能壘差（γ(-)_SF-γ(-)_TW）的仿射剪切應變的函數。

圖 4 孿晶的因素與仿射剪切應變函數的關系圖

（a）三種溫度下，Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀合金的（γ_isf/2-σ^*）和（δ-σ^*）的應變依賴性圖；

（b）三種溫度下，CrMnFeCoNi合金的（γ_isf/2-σ^*）和（δ-σ^*）的應變依賴性圖；

（c）三種溫度下，CrCoNi合金的（γ_isf/2-σ^*）和（δ-σ^*）的應變依賴性圖。

圖 5 Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀合金的本征堆垛層錯能（γ_isf）的變形模式圖

（a）在100到500 K之間，三種仿射剪切應變的有效能壘差異圖；

（b）Fe₄₀Mn₄₀Co₁₀Cr₁₀合金理論數據的變形模式示意圖。

【小結】

本文研究了多組分合金的塑性變形，提出了原子級的MTW理論。研究了高強度、高延展性的Fe_80-xMn_xCo₁₀Cr₁₀、CrMnFeCoNi和CrCoNi合金。發現孿晶是基本的變形機制。理論和實驗結果表明，在室溫和低溫下，合金的熱力學性能，不適用于塑性模型。孿晶可能是亞穩態面心立方合金的主要變形機制，其孿晶分數超過了已報道的上限。本文發現小的仿射剪切應變，可以進一步放大MTW現象。MEAs和HEAs行為可以對孿生誘導可塑性的設計。量子理論有助于了解可塑性，表明在新型多組分合金中，精確控制變形機制是可行的。

文獻鏈接：Twinning in metastable high-entropy alloys（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04780-x）。

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