金属所卢磊团队再发《Science》！超高强塑性匹配的高熵合金

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(例如位错与晶界或者孪晶界的相互作用)。
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科学家合作在这方面取得重要进展。研究人员通过小角度往复扭转梯度塑性变形技术，在Al0.1CoCrFeNi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，同时还使其保持良好的塑性和稳定的加工硬化。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。相关研究结果以题为“Gradient-cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility”于9月23日在《Science》以First Release形式在线发布。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8114
由于迄今为止所报道的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，材料的塑性由基本线缺陷运动提供，而强度则由线缺陷的堆积贡献，即全位错以及与不同结构缺陷(如高角度晶界(HAGBs)或孪晶界(TBs))相关的相互作用。有趣的是，由于化学短程有序(SRO)和空间可变层错能(SFE)在原子尺度上的局部不均匀性，在高浓度固溶体的HEAs中发现了一些不寻常的位错行为。变化的位错滑移模式，以及对位错运动/积累的摩擦阻力的增强，这是由于增加了纳米尺度(通常<3 nm)的局部浓度波动或局部SRO，被认为有助于改善机械性能。在稳定的单面心立方(fcc)相Al0.1CoCrFeNiHEA中，我们提出了一种非均相梯度位错胞结构(GDS)，该结构包含随机取向的、平均尺寸为~46 μm的等轴细晶(FG)。该合金是一种研究得很好的模型材料，局部变化的SFE为6~21 mJ/m2。
如图1所示，为本工作合成材料的微观组织结构，可以看出，样品的晶粒从表面到心部是非常均匀的，尺寸大小均一，取向随机。需要注意的是，在晶粒内部观察到了单滑移诱发的低角度边界位错壁(LABs)，在晶粒最顶部的内部引入了大量方向偏差<15°的小角晶界(LAGBs)，随着深度的增加，体积分数变小，尺寸增大。整个样品中无层错以及变形孪晶出现。
图1 Al0.1CoCrFeNi高熵合金中典型梯度位错结构
拉伸测试表明：具有梯度位错胞结构的合金不仅让合金具有很高的强度，是粗晶和细晶材料的2-3倍。同时这种结构基本不牺牲材料的塑性。意味着具有梯度位错胞结构的材料展现出了良好的强塑性匹配，性能远优于传统的粗晶和细晶材料，如图2所示。
图2 梯度位错结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力学性能
结合高分辨透射、同步辐射等先进的多尺度微观结构表征技术，研究表明：从顶部表面到心部，都有显著的连续硬化。这种硬化特性与带有梯度纳米颗粒的常规金属的变形诱导连续软化有很大的不同。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--层错诱导塑性变形机制。变形初期，亚十纳米细小层错即从位错胞壁萌生、滑移扩展，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/孪晶的形成有效协调其塑性变形、细化初始位错结构、阻碍其它缺陷运动而贡献强度和加工硬化，如图3和图4所示。
图3 梯度位错结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力学性能和变形机制
图4 Al0.1CoCrFeNi 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测量
总之，本工作的研究表明，在单个fcc相Al0.1CoCrFeNi HEA中引入的梯度位错胞状结构可以很容易地激活SFIP强化机制，导致超高的强度和延展性。高合金中的层错/孪晶行为的发现，可以很好的理解HEA固有的共同变形特征，并广泛应用于其他HEA系统，以获得更好的性能和更好的性能，具有重要的基础和应用价值，为先进的工程应用，比如汽车、发电站和航空系统提供新的组织设计理念。(文：守拙)
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