科学家破解高熵合金如何强与韧兼得

金属材料的制备和使用已经持续了几千年，是人类使用的最大和最重要的材料之一。然而，金属材料的强度和韧性往往不能结合。研究发现，如果打破传统的合金设计方法，将各种元素的原子比等溶解在一起，就可以从理论上制备出所谓的有序原子排列和无序元素排列的高熵合金，从而打破传统金属不能同时获得强塑性的困境。10月10日，研究结果在*国际杂志《自然》上发表。

本研究揭示了高熵合金力学性能晶格控制的特殊机制。与传统的精细结构控制如边界控制(包括晶界、相界、第二相界面等)相比。)和团簇控制，高熵合金中独特的浓度波控制非常精细和连续，是一种可控和高效的材料强韧化方法。

浙江大学高温合金研究所的丁青青博士、清华大学的陈晓博士和佐治亚理工学院的张颖博士是合著者。浙江大学电子显微镜中心的于谦教授、佐治亚理工学院的朱婷教授和加州大学伯克利分校的罗伯特·里奇教授是合著者。

于谦的研究小组首次通过原子尺度元素分布表征揭示了高熵合金中有多少元素溶解在一起的重要问题。“我们在高熵合金中发现了浓度波的独特波动。与传统固溶体合金中元素浓度波的波动相比，即使是高熵合金中的CrMnFeCoNi合金，晶格间各种元素的浓度也有25% ~ 15%的波动。这种浓度波动将导致纳米尺度晶格电阻的振荡和局域堆垛层错能的变化余倩说。其次，在保证完全固溶体的前提下，通过增加元素间电负性和原子尺寸的差异，研究人员制备了不同元素浓度在60%至0纳米范围内波动的CrFeCoNiPd合金。

在高倍电子显微镜的放大下，研究人员看到普通材料的位错线像潮汐线一样沿着一个固定的滑移带向前冲，但是在铬镍铁合金中，位错线是不稳定的。研究人员称这种位错运动为交叉滑移。位错不遵循原始晶面，而是选择另一个晶面。这样，位错之间的相互作用将增加，为变形提供更多的可能性，同时“呼吁”更强的外力推动位错前进。

大量的交叉滑移使合金具有更好的均匀变形能力和更好的强度，鱼和熊掌可以兼得。

《自然》杂志的专家评审意见认为，这项工作对于理解复杂合金的强化机理具有重要的理论意义(传统的固溶强化理论不能应用)。然而，高熵合金的强度和塑性及其优异的低温性能在制备未来航空、北极和南极等对温度要求苛刻的材料方面具有巨大的潜力。，在防撞领域也有重要的应用。

本研究由中国国家自然科学基金资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1617-1.