高熵合金成為Nature、Science常客？暨上大之后 金屬所盧磊又一篇

上個月，我們報道了上海大學鐘云波教授團隊聯合北京科技大學王沿東教授團隊發表的一篇Science。該文展示了一種定向凝固的原位復合材料-共晶高熵合金（EHEA），成功地協調了裂紋容限和高延伸率。近期，金屬所盧磊研究員團隊在Science發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領域，盧磊研究員團隊已經收獲多篇Nature、Science。

2018年，盧磊團隊發現增加結構梯度可實現梯度納米孿晶結構材料強度—加工硬化的協同提高，甚至可超過梯度微觀結構中最強的部分。梯度納米孿晶強化的概念結合了多尺度結構梯度，進一步提高了材料的強度極限，并為發展新一代高強度/延性金屬材料提供了新思路。（DOI: 10.1126/science.aau1925）

2017年，盧磊團隊發現具有晶體學對稱結構的納米孿晶金屬不但具有循環穩定響應而且疲勞累計損傷非常有限。這種具有獨特的穩定循環響應特征和有限累計損傷的納米結構為發展抗疲勞損傷的高性能工程金屬材料提供了新思路。（DOI:10.1038/nature24266 ）

接下來，我們一起來看看這篇最新Science。

【研究背景】

由于迄今為止所報道的高熵合金(HEAs)的基本塑性變形特征和機理與傳統金屬相似，所以HEAs的強度和塑性之間存在矛盾。在傳統金屬中，材料的塑性由線缺陷和面缺陷,例如位錯、孿晶以及晶界的運動提供，而強度則需要有強有力的障礙物阻礙這些缺陷的運動，例如全位錯以及孿晶與不同結構缺陷(如高角度晶界(HAGBs)或孿晶界(TBs))相關的相互作用，導致它們的運動受阻。與傳統合金不同的是，高熵合金中存在化學短程有序(SRO)和空間可變層錯能(SFE)在原子尺度上的局部不均勻性，導致一些不尋常的位錯行為，例如變化的位錯滑移模式，以及對位錯運動/積累摩擦阻力的增強。這種現象主要是由于納米尺度(通常<3 nm)的局部濃度波動或局部SRO所致，一般認為其有助于改善材料的力學性能。到目前為止，盡管很多文獻報道了在高熵合金中同時提高強塑性的方法，但本文提出的則為一種新的策略，機理上不同于以前的策略。

【成果簡介】

多主元高熵合金的強度提高往往伴隨塑性的降低，這種強塑性相互矛盾主要來源于金屬材料的塑性變形機理。即材料中的線缺陷，如位錯的運動貢獻塑性，但位錯的堆垛與塞積則貢獻強度。近期，金屬所沈陽材料科學國家研究中心盧磊研究員團隊與美國田納西大學、橡樹嶺國家實驗室、阿貢國家實驗室的科學家合作在這一科學難題研究方面取得重要進展。研究人員通過小角度往復扭轉梯度塑性變形技術，在Al_0.1CoCrFeNi高熵合金中引入梯度位錯胞穩定結構，同時保持其原始晶粒的形貌、尺寸和取向不變。拉伸力學測試結果表明：這種新型結構不僅顯著提高材料屈服強度，是粗晶和細晶材料的2-3倍。同時還使其保持良好的塑性和穩定均勻的加工硬化。其強塑積-屈服強度匹配明顯優于文獻報道中相同成分的均勻或梯度結構材料。對變形機理的研究結果表明：從材料的頂部表面到心部，合金在變形過程中存在顯著的連續硬化。這種硬化特性與梯度納米晶常規金屬的變形誘導連續軟化的機制有很大的不同。高熵合金中梯度位錯結構在塑性變形過程中激活了不全位錯--層錯的相互作用，從而誘導塑性變形機制。在變形初期，納米級別的細小層錯從位錯胞壁形核、然后不斷滑移并擴展，其密度隨拉伸應變增加而增加，逐漸演變成超高密度三維層錯（和少量孿晶界）網格，直至布滿整個晶粒。超高密度細小層錯/孿晶的形成與位錯相互作用，協調變形。一方面有效促進了其塑性變形并進一步細化初始位錯結構、阻礙其它缺陷運動而貢獻強度。另一方面，層錯和孿晶的形成阻礙了位錯的平均自由程，增加了合金內部缺陷的密度，從而導致合計超級的加工硬化，提高了整體的塑性變形。相關研究結果于9月23日在《科學》（Science）周刊上以First Release形式在線發布。

【 圖文導讀】

圖1 Al_0.1CoCrFeNi高熵合金中典型梯度位錯結構；(A, B)?經循環扭轉處理(扭轉角振幅為20)的Al_0.1CoCrFeNi HEA橫截面的EBSD圖像，顯示了晶粒尺度、形貌以及取向(A)和三種類型的晶界(即HAGB，與心部(G, H)相比，在距表面約1.2 mm深度內，LAB和TB的取向角度(B)不同；(C)梯度分布的低角度位錯結構示意圖;?(D)?循環扭轉處理后樣品表面對應位錯結構的明場TEM圖像(如圖A, C所示)。圖中每個細胞壁的取向差角用透射電鏡電子處理衍射技術測量并表示，左上方的插入是相應的SAED圖；(E) 典型的位錯細胞結構;?(F) 沿著(D)中的實白色線箭頭，測量相對于原點的q取向差角度的變化圖；

圖2?梯度位錯結構Al_0.1CoCrFeNi高熵合金的力學性能；（A）GDS（梯度位錯胞結構）、CG（粗晶）和FG（細晶）試樣的拉伸工程應力-應變曲線；（B）GDS樣品的加工硬化速率和真應變關系；（C）GDS樣品經循環扭轉和40%拉伸應變后的顯微硬度沿頂面至內部的變化規律；（D）GDS Al_0.1CoCrFeNi?HEA的強度和延性與屈服強度與文獻中報道的均質和梯度晶粒結構的樣品以及其他具有梯度分布納米晶粒和納米孿晶的金屬和合金性能的比較。

圖3?拉伸應變為3%時GDS-H Al_0.1CoCrFeNi HEA的變形組織；(A, B)顯示了拉伸后距表面~1.2 mm深度內晶粒尺度形態、取向(A)和三種不同取向角(B)分布情況，并與心部(H, I)的分布情況進行了對比；相應的SEM (C, D)和明場TEM (E)圖像顯示了廣泛存在的數十微米長的致密SF束，如白色箭頭所示，它們穿過多個位錯細胞結構；(E)中的插圖是SFs中包含平行條紋(沿[111]方向，由白色箭頭標記)的相應SAED衍射普。(F) 像差校正的高角暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像，從相對較低位錯密度的位錯-細胞壁附近的束中獲取，揭示了超高密度的SFs和TBs；(G) HAADF-STEM的放大圖像，顯示出許多納米尺度的SF或孿晶。(F-G)中的實線和虛線分別表示SF/TBs和(111)平面；(J-K)樣品心部對應的SEM (J)和TEM (K)圖像呈現平面滑移誘導的平行位錯形貌。(C)中帶有雙箭頭的白線表示載荷軸(LA)。

圖4 GDS-H Al_0.1CoCrFeNi HEA在40%拉伸應變下的變形特征和單軸拉伸時的原位中子衍射圖；（A，B）SEM和TEM圖像顯示在整個晶粒內部有高密度的SF束(白色箭頭所示)；(C)原子分辨率HAADF-STEM圖像顯示了超高密度的SF和傾斜于短SF的孿晶。(C)中的實線和虛線分別表示SF/TBs和(111)平面；(D) 通過原位中子衍射實驗，研究了GDS-H和FG樣品中(111)//LA和(222)//LA晶粒的晶格應變隨工程應變的變化規律。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abj8114.

本文由虛谷納物供稿。