Nature Communications：解密高熵合金中位錯釘扎的起源

一、導讀

高熵合金（HEA）是由多主元構成的合金體系，研究發現其具有一些傳統合金所無法比擬的優異性能，如高強度和高延展性。高熵合金的高強度來源是材料設計的關鍵，目前其增強機制尚不明確，仍存在爭議，一般認為主要有以下幾種原因：

ⅰ.短程有序(SRO)，會導致傳統合金的強度增加，在CoCrNi系合金中即為該機制；

ⅱ.位錯釘扎強化；

ⅲ.堆垛層錯能（SFE），SFE的多變性導致能波浪狀位錯，加劇晶格摩擦，引起局部增強效應；

ⅳ.固溶強化，在Varvenne模型中假設溶質原子和位錯之間存在Labusch型弱相互作用，從而阻礙了位錯運動，強化了合金。

HEA合金的位錯在滑移過程中會反復被釘扎，導致位錯運動不穩定。雖然溶質-位錯相互作用在傳統合金中已經得到了充分地解釋。但在多主元的合金體系中單個釘扎點的起源仍然是一個有爭議的問題。

二、 成果掠影

德國達姆施塔特工業大學的Daniel Utt以及Karsten Albe等人結合原位TEM拉伸、球差掃描透射電鏡(STEM)和原子模擬研究了面心立方(FCC) CoCrFeMnNi高熵合金中位錯釘扎的起源。首先，通過原位拉伸TEM測試揭示了波浪狀和鋸齒狀位錯運動，其中肖克萊不全位錯周圍沒有發現明顯的偏析。通過原子模擬發現：在沒有SRO的隨機樣本中，仍然具有重復釘扎的位錯運動，其潛在機制與Peierls(力/摩擦)勢壘中的局部波動直接相關，它們與位錯滑移和位錯遷移率所需的臨界應力之間有密切的關系。相關成果以“The origin of jerky dislocation motion in high-entropy alloys”為題發表在國際頂級期刊Nature Communications期刊上。

三、核心創新點

(1) 研究了HEA中位錯釘扎的起源,揭示了外載荷下的波狀位錯線和鋸齒狀滑移運動；

(2) 通過原子模擬將位錯反復釘扎與Peierls摩擦的局部波動聯系起來。

四、數據概覽

圖1 原位透射電鏡和原子模擬的Cantor（CoCrFeMnNi）合金中位錯線的比較。a),TEM圖顯示了在拉伸載荷下激活的{111}<110>滑動系上的肖克萊不全位錯；b),從多個的TEM圖像中提取的不全位錯的位錯線（在a中用“D”標記）。位錯線表現出不穩定的滑移；在滑移過程中一些部分被釘扎，位錯表現出彎曲的形狀。c)-e),隨機模擬結果顯示了等摩爾Cantor合金在低溫(5 K)和300 K下滑移過程中的位錯釘扎，以及CoNi合金在300 K下位錯的弱釘扎。Cantor合金的位錯表現出強局部釘扎，導致波浪狀位錯，而CoNi合金的位錯表現出微弱的釘扎，其位錯線幾乎保持理想的直線。? 2022 The authors

圖2? Shockley不全位錯核周圍的STEM EDS組成圖。a),[110]軸的STEM HAADF圖像顯示了肖克萊不全位錯。位錯用⊥符號表示，虛線表示堆垛層錯(SF)。b),選定的（1-11）和（-1-11）反射的Bragg濾波圖像。伯格斯環形——顯示了a₀/6 [211]的伯格斯矢量。c),d),位錯核周圍Cr、Mn、Fe、Co和Ni的EDS組成圖分布均勻，隨機波動，沒有任何特定元素的富集或偏析。? 2022 The authors

圖3 Peierls勢壘作為位錯釘扎的描述示意圖：CoCrFeMnNi中的位錯穿過釘扎點的形貌。a),b),在滑移平面中單原子的 GSF能量。紅色和橙色箭頭表示連接局部最小值的相應位移。局部Peierls勢壘FP（以力為單位）定義為原子能曲線的最大斜率。c),滑移面中的局部Peierls力(顏色對應于局部釘扎力),滑移過程中疊加了位錯(紅色)。可以看到位錯釘扎在最強的障礙物上，繞著它彎曲，最后脫離。d),滑動過程中不全位錯多個快照的組合。由于快照是在恒定的時間間隔內拍攝的，位錯線緊密相連代表停留時間長，即更強的局部釘扎。最強位錯釘扎點的位置用灰色圓圈標出。? 2022 The authors

圖4 不同合金中原子釘扎點的強度分布及其與位錯滑移和位錯遷移臨界力的關系。a),等摩爾CoNi、CoCr Ni和CoCrFeMnNi中釘扎點強度F_P的比較，Co和Cr的相互作用導致了高密度的強釘扎點的出現。b),CoCrNi和CoCrFeMnNi合金中強（F_P > F_P，95）和弱（F_P < F_P，5）釘扎點周圍的第一和第二最近鄰殼層的平均組成x_i，中心原子的種類（對于強釘扎點僅包括Co）不包括在該濃度測量中。c),不同樣品中引發位錯滑移所需的臨界力F_C（l₀表示以晶格常數a₀為單位的初始位錯線長度）與高強度釘扎點密度F_P，95的相關性。d),在恒定作用力F_C下，位錯的遷移率M與高強度釘扎點密度F^-1 _P，95的關系。? 2022 The authors

圖5 位錯遇到的能磊和摩擦力示意圖。a),在純金屬或雜質較少的合金中，能量E隨位錯滑動距離d的變化。在純金屬中，由于所有的化學環境都是相同的，其能量在位錯滑移過程中幾乎保持恒定。稀固溶體表現出與純金屬相似的能量分布。在接近溶質（用虛線標記）時，位錯被釘扎。所需的釘扎力F（能量梯度）顯示在右邊的y軸上。在能量峰值和谷值周圍可以看到滑移阻力的增加。b),表示HEAs的E和F。相鄰的局部極小值和極大值（d = 55）的組合會導致局部釘扎力的更大的變化和更高的極大值。? 2022 The authors

五、 成果啟示

本文揭示了高熵合金中位錯釘扎點的原子起源，從而回答了材料科學和工程界長期存在的一個問題。表明在HEAs中強位錯釘扎不需要明顯的SRO。這種情況與已建立的Peierls模型一致，揭示了HEA和特定合金易受特殊Peierls應力峰值的影響。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32134-1

本文由虛谷納物供稿