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傳統領域再登《Nature》！首次給出直接觀察證據

2021-04-30 13:44:55 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

自人類使用青銅器以來，金屬材料一直伴隨著人類文明的進步。時至今日，合金已經演變到中熵合金和高熵合金，并且此類材料的研究一直是方興未艾。組成元素之間的焓相互作用也預期在常溫下會形成不同程度的局部化學有序。在局部化學有序中，化學短程有序（CSRO）是最難破譯的，迄今為止，這些材料中CSRO的確鑿證據一直是懸而未決。

在此，來自清華大學的朱靜&中國科學院力學研究所的武曉雷&西安交通大學的馬恩等研究者通過研究發現，使用適當的區域軸微/納米束衍射，以及通過透射電子顯微鏡的原子分辨率成像和化學映射，可以明確地觀察到在面心立方VCoNi濃縮溶液中的CSRO。首次給出了中熵合金存在CSRO以及CSRO與位錯交互作用的直接觀察證據。相關論文以題為“Direct observation of chemical short-range order in a medium-entropy alloy”發表在Nature上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03428-z

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在此，研究者選擇V-Co-Ni作為模型體系，因為V-Co、V- Ni和V-Co-Ni的平衡相圖，顯示了二元和三元金屬間化合物在一定溫度和成分范圍內的變化。VCoNi MEA，此前研究認為是一個面心立方（fcc）的室溫隨機固溶體，因此，是一個亞穩相但具有很大可能性的局部化學有序。具體來說，研究者假設這種單相fcc MEA偏好V?Co和V?Ni鍵，同時避免V?V鍵。然而，要直接觀察這樣的CSROs是出了名的困難。因此，研究者設計了系統細致性的實驗，以避免數據擬合和/或多種其他可能的解釋。

通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察，如圖1a所示，顯示了VCoNi MEA中的雙相組織。主要相為fcc溶液，體積分數約為80%。少數相約占樣品體積的20%，具有長程化學有序的L12結構，以板狀存在于fcc晶粒內部，并含有高密度的斷層。完全再結晶的fcc溶液，由等軸無位錯晶粒組成，平均尺寸為1.2 μm。從原子探針斷層掃描數據（未顯示）來看，其成分為V36Co33Ni31，相對于整體VCoNi成分略有偏移，這是由于L12共存，其中Co和Ni含量稍多。

圖1b為fcc相的晶格像。選擇區域電子衍射圖（EDP）（左插圖，圖1a右下角）和納米束電子衍射圖（圖1a右圖插圖），以及快速傅里葉變換（FFT）圖（圖1b插圖），除了正常的fcc布拉格點外，沒有顯示其他衍射信息。在[110]區域軸下的這些結果中無法檢測到CSRO，而這在之前的瞬變電磁法工作中，卻一直被使用。

圖1 VCoNi MEA的TEM微觀結構。

在此，研究者提供了關于CSRO的自由度/長度、原子組裝構型和化學物種對鄰近晶格面/位的優先占用具體信息。研究者對最近鄰原子殼層上的CSRO序參量和對相關性的建模表明，CSRO起源于對不同V?Co和V?Ni對的最近鄰偏好以及對V?V對的回避。該發現為鑒定濃溶液合金中的CSRO提供了一種方法。此外，研究者還使用原子應變映射來展示了由CSRO增強的位錯相互作用，闡明這些CSRO對變形時塑性機制和力學性能的影響。

圖2 fcc VCoNi中CSRO的證據。

圖3 化學映射指明了交替原子平面上特定元素富集。

圖4 CSRO區域和位錯之間的相互作用。

綜上所述，研究者得出結論，一個名義上隨機的多主元素固溶體可以包含部分化學有序，即使CSROs難以檢測。研究者的fcc VCoNi提供了一個數據集，最終證明了在單相MEA中，有一個接近相圖中心的成分的實質性CSRO。現有的工程合金，通常使用化學有序金屬間化合物；現在，在像MEAs/HEAs這樣的濃縮溶液中，研究者已經確定了它們的當量——局部化學有序和它們的CSRO組成部分。CSRO可以與已知（平衡）第二相的化學有序相同；它也可以是一種新的亞穩序，包括先前在相關合金中觀察到的序的變體/延伸。

研究者注意到，雖然CSROs的定義局限于（次）納米空間范圍，但建立在CSROs基礎上的局部化學有序，可以在某些三維空間發展為遠程有序。研究者還沒有充分利用這些化學非均質性，而它們提供了在濃溶液中調整特性的機會。（文：水生）

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