高熵合金（HEA）是具有多個(gè)主要元素的合金，具有近無(wú)限的多組分相空間，可能導(dǎo)致不尋常的力學(xué)性能。一些單相HEA具有良好的強(qiáng)度和延展性、高工作硬化性和卓越的損傷容忍度，這些HEA通過調(diào)整其化學(xué)成分會(huì)產(chǎn)生固有的濃度不均勻性。

此外，設(shè)計(jì)由分級(jí)晶粒尺寸、納米簇、多相等組成的空間異構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)也可以使HEA獲得卓越的性能，類似于傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)金屬材料的性能。然而，傳統(tǒng)金屬材料的長(zhǎng)期強(qiáng)度-延展性悖論在大多數(shù)HEA中仍然存在，那就是，無(wú)論是常規(guī)合金還是高熵合金，強(qiáng)度的增加是以延展性差為代價(jià)的。

HEA的強(qiáng)度和延展性之間的權(quán)衡是存在的，因?yàn)槠駷橹箞?bào)告的HEA的基本塑性變形特征和機(jī)理與常規(guī)金屬相似。攜帶可塑性的基本線缺陷——即完全位錯(cuò)以及與高角度晶界（HAGB）或雙晶界（TBs）等不同結(jié)構(gòu)缺陷的相關(guān)相互作用，在傳統(tǒng)金屬中非常清楚。

值得注意的是，由于原子尺度上的化學(xué)短程（SRO）和空間可變堆疊層錯(cuò)能（SFE）的局部不均勻性，在HEA中發(fā)現(xiàn)了一些具有高度集中固溶體的不尋常的位錯(cuò)行為。例如，通過增加納米（通常小于3 nm）的局部濃度波動(dòng)或局部SRO，改變的位錯(cuò)滑移模式的摩擦阻力增強(qiáng)被認(rèn)為有助于提高力學(xué)性能。

近日，沈陽(yáng)金屬所盧磊研究員在Science上發(fā)表成果，Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility，在本研究中，作者控制了梯度納米尺度位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)位于面心立方結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定單相HEA中，從而提高了強(qiáng)度，而不會(huì)明顯失去延展性。

這里提出了一種穩(wěn)定的單相面心立方體（fcc）Al_0.1CoCrFeNi HEA中的異構(gòu)梯度位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)（GDS），該結(jié)構(gòu)包含平均直徑約為46 μm的隨機(jī)定向等軸細(xì)晶粒（FG）。這種合金（Al_0.1CoCrFeNi）是一種經(jīng)過深入研究的模型材料，局部變化的SFE為6至21 mJ/m²。

高熵合金的循環(huán)扭轉(zhuǎn)可以在不降低延展性的情況下增強(qiáng)強(qiáng)度。循環(huán)扭轉(zhuǎn)創(chuàng)造了從表面到內(nèi)部的位錯(cuò)梯度和低角度晶界，在最初應(yīng)用拉伸應(yīng)變時(shí)，在GDS HEA中發(fā)現(xiàn)了意想不到的極高密度的微堆疊層錯(cuò)（SF）、孿晶成核和堆積主導(dǎo)的塑性變形。這些結(jié)構(gòu)允許良好的延展性，同時(shí)有助于使合金變硬。

此外，SF誘導(dǎo)的可塑性和由此產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)，加上密集積累的位錯(cuò)，有助于塑性、增強(qiáng)強(qiáng)度和工作硬化。

這些發(fā)現(xiàn)為納米梯度位錯(cuò)胞的性能調(diào)控提供了一個(gè)很有前途的范式，并推動(dòng)了我們對(duì)HEA固有變形行為的基本理解。

圖1. 典型的梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的顯微組織和結(jié)構(gòu)梯度

圖2. GDS Al_0.1CoCrFeNi HEA的力學(xué)性能

圖3. GDS-H Al_0.1CoCrFeNi HEA在3%拉伸應(yīng)變下的變形微觀結(jié)構(gòu)

圖4. GDS-H Al_0.1CoCrFeNi HEA單軸張力期間，40%的拉伸應(yīng)變和原位中子衍射測(cè)量的變形特征

盧磊，博士，女，中科院金屬研究所研究員、博士生導(dǎo)師，中科院人才計(jì)劃、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃獲得者，科技部“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)總體專家組成員，遼寧省“興遼計(jì)劃”創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等。

現(xiàn)任國(guó)際納米材料、國(guó)際材料強(qiáng)度大會(huì)委員會(huì)委員；Acta Materialia 和Scripta Materialia 期刊編輯。主要從事納米結(jié)構(gòu)金屬材料的制備、力學(xué)性能及變形機(jī)理的基礎(chǔ)研究。發(fā)表SCI論文110余篇（其中包括Science 5篇，Nature 2篇）, 被SCI文章引用>15000次，獲國(guó)內(nèi)發(fā)明專利15項(xiàng)，國(guó)際發(fā)明專利6項(xiàng)。近年來(lái)在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議做大會(huì)、主題和邀請(qǐng)報(bào)告70余次。曾獲中科院院長(zhǎng)獎(jiǎng)學(xué)金特別獎(jiǎng)、全國(guó)優(yōu)秀百篇博士學(xué)位論文獎(jiǎng)、中國(guó)青年女科學(xué)家獎(jiǎng)、2014-2016年獲湯森路透“全球高被引用科學(xué)家”，2015-2020年獲愛思唯爾“中國(guó)高被引學(xué)者”、2019-2020年獲中國(guó)科學(xué)院“優(yōu)秀導(dǎo)師獎(jiǎng)”、2021年獲“TMS Brimacombe Medal Award”等獎(jiǎng)項(xiàng)。

Pan et al., Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility. Science 374, 984–989 (2021)

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8114