科學家破解高熵合金如何強與韌兼得
金屬材料的制備和使用淵源千年，是人們所用的最大量和最重要的材料之一。然而，金屬材料的強與韌往往不可兼得。人們研究發(fā)現(xiàn)，如果打破傳統(tǒng)的合金設計方法，將多種元素等原子比固溶在一起，理論上會制得原子排列有序而元素排列無序的所謂高熵合金，從而打破傳統(tǒng)金屬中強塑性難以兼得的困境。10月10日，這項成果在線刊登在國際頂尖雜志《自然》上。
該研究揭示了高熵合金中晶格調(diào)控力學性能的特殊機制，與傳統(tǒng)的界面調(diào)控（包括晶界、相界、第二相界面等）以及團簇等精細結(jié)構(gòu)調(diào)控相比，高熵合金中獨特的濃度波調(diào)控極精細并具有連續(xù)性，是一種可控和高效的材料強韌化方法。
浙江大學高溫合金研究所博士丁青青，清華大學博士陳曉、喬治亞理工Ying Zhang為共同第一作者，浙江大學電子顯微鏡中心教授余倩、喬治亞理工教授Ting Zhu、加州大學伯克利分校教授Robert Ritchie為共同通訊作者。
余倩課題組首先通過原子尺度的元素分布表征，揭示了高熵合金多種元素如何固溶在一起的重要疑問。“我們發(fā)現(xiàn)了高熵合金中獨特的濃度波起伏，相比于傳統(tǒng)固溶體合金中在晶格尺度趨于平直的元素濃度波起伏，高熵合金中，即使是CrMnFeCoNi合金也存在各種元素的濃度在晶格間25%到15%的震蕩。這樣的濃度起伏會帶來納米尺度晶格阻力的震蕩和局域?qū)渝e能的變化。”余倩說。緊接著，通過在保證完全固溶的前提下增加元素間電負性和原子大小的差距，研究人員制備了納米尺度各種元素濃度起伏在60%到0之間的CrFeCoNiPd合金。
在高倍電鏡的放大下，研究人員看到，普通材料的位錯線是沿著固定的滑移帶像一線潮那樣奔涌向前，但是CrFeCoNiPd合金中，位錯線卻走得磕磕絆絆。科研人員把這樣的位錯移動稱為交滑移，位錯不沿著原有的晶面走，而是選擇了另一個晶面。這樣，位錯之間的相互作用就會增加，提供了更多變形的可能，同時也“呼喚”更強的外力來推動位錯往前走。
大量的交滑移作用，使得合金有更好的均勻變形能力又有更好的強度，魚和熊掌可以兼得了。
Nature的專家評審意見認為，該工作對理解復雜成分合金（傳統(tǒng)固溶強化理論無法適用）中的強化機理具有重要理論意義。而高熵合金強度與塑性兼得的特點以及優(yōu)良的低溫性能，在未來航空、南北極等對溫度要求嚴苛的材料制備上大有可為，同時在防撞領域上也有重要應用。
本研究受到國家自然科學基金委的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1617-1。
