導讀：大多數多組分高熵容許材料(HEAs)的延展性隨強度的增加而增加，與傳統材料相似。金屬所沈陽材料科學國家研究中心盧磊研究員團隊與美國田納西大學、橡樹嶺國家實驗室、阿貢國家實驗室的科學家合作在這一科學難題研究方面取得重要進展，在一個穩定的單相面心立方HEA中可控地引入了新型梯度納米級位錯-細胞結構，這導致了強度的提高而沒有損失明顯的延展性。樣品級結構梯度誘導在早期拉伸時，從大量的低角度位錯胞成核，逐步形成高密度的微小堆垛層錯和孿晶。此外，層錯誘導的塑性和由此產生的精細結構，加上密集堆積的位錯，有助于塑性額外加強和加工硬化。我們的發現為梯度位錯胞在納米尺度上設計性能提供了一個有前景的模式，并推進了我們對HEAs內在變形行為的基本理解。

近期，相關研究結果于9月23日在《科學》（Science）周刊上以First Release形式在線發布。其中，潘慶松副研究員、博士生張良學以及美國橡樹嶺國家實驗室馮瑞博士為共同第一作者。 

高熵合金 (HEA) 或多主要元素合金具有近乎無限的多組分相空間，可產生有趣的機械性能。良好的強度和韌性，高加工硬化，和出色的損傷容限已經在一些具有通過調整其化學復雜性。此外，工程空間多相微觀結構由分級粒度，納米簇，多相位等的還可以允許HEA與實現優異的性能，類似于具有在傳統的異質結構的金屬材料已經實現。然而，對于大多數 HEA 來說，傳統金屬材料的持久強度-延展性悖論仍然存在 。

HEA 的強度和延展性之間存在權衡，因為迄今為止報道的 HEA 的基本塑性變形特征和機制與傳統金屬的相似。具有可塑性的基本線缺陷，即全位錯和與不同結構缺陷的相關相互作用，例如大角度晶界 (HAGB) 或孿晶界 (TB)，在傳統金屬中得到了很好的理解 。有趣的是，由于在原子尺度上具有化學短程有序 (SRO) 和空間可變堆垛層錯能 (SFE) 的局部不均勻性，在具有高濃度固溶體的 HEA 中發現了一些不尋常的位錯行為。

本文在穩定的單面心立方 (fcc) 相 Al 0.1 CoCrFeNi HEA 中提出了異質梯度位錯胞結構 (GDS)，其中包含平均尺寸約為 46 μm 的隨機取向的等軸細晶粒 (FG)。這種合金是一種經過充分研究的模型材料，具有 6 - 21 mJ/m 2的局部變化 SFE 。在早期拉伸應變時，我們在 GDS HEA 中發現了意外且極高密度的微小堆垛層錯 (SF)、孿晶形核和堆積主導的塑性變形。與其他 HEA相比，這一特征導致了有吸引力的強度和延展性。

圖 1梯度位錯結構典型微觀結構及結構梯度  GDS-H Al 0.1 CoCrFeNi HEA 的橫截面 EBSD ( A , B ) 圖像以20° 的扭轉角幅度進行循環扭轉加工，顯示了晶粒尺度形態、取向 (A) 和三個的分布與核心（G，H）相比，在距表面約 1.2 mm 深度內具有不同取向角（B）的邊界類型（即 HAGB、LAB 和 TB ）。（C）具有梯度分布的低角位錯結構的 GDS 示意圖。頂面位錯結構的相應明場 TEM 圖像 ( D) 的處理樣品（以 A、C 表示）。圖 1D中每個細胞壁的錯誤取向角是使用TEM 中的電子加工衍射技術 ( 28 )測量并顯示在 (D ) 中的。(D) 中左上角的插圖是相應的 SAED 模式。（E）典型位錯單元結構的近距離視圖。( F ) 沿著 (D) 中的白色實線箭頭，在 GDS-H HEA 最上表面的多個單元中，相對于原點測量的錯誤方向角變化圖。

我們比較了具有相同成分的 HEA和其他現有的具有梯度結構的高性能金屬和合金的 GDS 樣品的屈服強度以及強度和延展性的乘積。強度通過其相應材料的楊氏模量歸一化。以這種方式繪制時，我們發現 GDS HEA 實現了均勻拉伸伸長率和強度的最佳組合。毫不奇怪，具有高密度 HAGB 的常規梯度納米晶粒金屬和合金不可避免地會遭受結構粗化，例如伴隨著粗化（有助于塑性）和由此產生的軟化的 GB 遷移，盡管這顯然犧牲了它們的強度和穩定性以一定程度上。相比之下，在具有空間梯度 LAB 的穩定單 fcc 相 GDS HEA 中實現了具有高穩定加工硬化的單調強化，由上述 SF 和孿晶行為貢獻，并逐漸結構細化。

圖 2 GDS Al 0.1 CoCrFeNi HEA 的機械性能。( A ) GDS、CG 和 FG 樣品的拉伸工程應力-應變關系。( B ) GDS 樣品與其均質成分的加工硬化率和真實應變關系。（C）循環扭轉加工后和40％拉伸應變后GDS樣品從頂面到內部距離的測量顯微硬度變化。( D ) 強度和延展性與屈服強度的乘積由 GDS Al 0.1 CoCrFeNi HEA的楊氏模量歸一化，與具有均勻和梯度晶粒結構的對應物以及具有梯度分布的納米晶粒和納米孿晶的其他金屬和合金相比文學 ( 10 ,36 , 52 – 55 )。(C, D) 中的誤差線代表 10 次獨立硬度測量和 3 次以上獨立拉伸測試的標準偏差。GNG 和 GNT 分別表示梯度納米顆粒和納米孿晶；TWIP 表示孿晶誘導的可塑性。

圖 3 梯度位錯結構Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力學性能和變形機制 橫截面 EBSD ( A , B ) 圖像顯示晶粒尺度形態、取向 (A) 和距表面約 1.2 mm 深度內具有不同取向角 (B) 的三種邊界的分布，與張力后的核心（H，I）。相應的 SEM ( C , D )、明場 TEM ( E ) 圖像顯示了密集的數十微米長的 SF 束的廣泛存在，由白色箭頭表示，穿過多個位錯單元結構。(E) 中的插圖是相應的 SAED 圖案，其中包含來自 SF 的平行條紋（沿 [111] 方向，用白色箭頭表示）。( F) 像差校正的高角度暗場掃描透射電子顯微鏡 (HAADF-STEM) 圖像取自位錯密度相對較低的位錯胞壁附近的束，揭示了超高密度的 SFs 和 TBs。（G）特寫 HAADF-STEM 圖像，展示了許多納米級 SF 。(FG) 中的實線和虛線分別表示 SF/TBs 和 (111) 平面。( J - K ) 樣品核心處相應的 SEM (J) 和 TEM (K) 圖像呈現平面滑移誘導的平行位錯形態。(C) 中帶有雙箭頭的白線表示加載軸 (LA)。

圖 4 GDS-H Al 0.1 CoCrFeNi HEA單軸拉伸過程中 40% 拉伸應變和原位中子衍射測量的變形特征。（A - B）全晶粒內部高密度 SF 束（由白色箭頭表示）的 SEM 和 TEM 圖像。（C）典型的原子分辨率 HAADF-STEM 圖像顯示超高密度的 SFs 和 TBs 與傾斜的短 SFs。(C) 中的實線和虛線分別表示 SF/TBs 和 (111) 平面。( D ) GDS-H 和 FG 樣品中 (111)//LA 和 (222)//LA 晶粒的晶格應變與通過原位中子衍射實驗測量的工程應變的演變。( E) 作為 GDS-H 和 FG 樣品中工程應變函數的計算 SF 概率 (SFP) 的變化。

總之，我們的觀察表明，單個 fcc 相 Al 0.1 CoCrFeNi HEA上的工程梯度 LABs 結構可以幫助輕松激活 SFIP 強化機制，從而獲得出色的強度和延展性。在 GDS HEA 中發現這種 SF/孿晶行為對于獲得 HEA 固有的共同變形特征至關重要，并廣泛適用于其他 HEA 系統以實現更好的性能和卓越的性能，這對于高級工程具有重要的基礎和應用重要性應用，例如汽車、發電站和航空系統。