導讀：由多主元合金（中熵合金和高熵合金）內部化學成分漲落引起的晶格畸變和化學短程序，是這類新型合金的典型特征之一，且對于缺陷演化和材料失效有重要的影響。本文使用混合蒙特卡洛/分子動力學方法以及大規模的分子動力學模擬，以晶格畸變和化學短程序作為切入點，對單晶和多晶CoCrNi在沖擊加載下的力學行為、缺陷演化和層裂破壞特征進行了研究。結果表明，與純金屬不同，單晶中熵合金的雨貢紐彈性極限表現出異常的各向異性。原因在于晶格畸變的存在降低了位錯成核的能壘,但提高了位錯滑移需要克服的阻力。此外，孿晶出現于沖擊壓縮階段，但在隨后的卸載和拉伸階段進一步發展。在這個過程中，晶格畸變可以通過減緩位錯滑移而提高孿晶形成的可能性。在層裂階段，單晶合金中孔洞成核于層錯相交處或者沖擊壓縮產生的非晶態區域，且傾向于在Ni聚集區域形核。這與該區域存在由晶格失配引起的較大的拉伸應變有關。多晶材料的孔洞形核則位于晶界處的Ni聚集區域，一般為三重晶界節點，并隨著晶界分離逐漸擴大。

盡管局部化學漲落對中熵合金缺陷演化的影響已通過準靜態實驗和恒定應變速率下的模擬得到證實，它們在沖擊載荷下對變形和層裂機制的作用尚待研究。與準靜態加載相比，沖擊加載下應力波在材料內部的傳播、反射和相互作用使得材料的局部應力狀態不均勻。在這種一維應變、三維應力的加載條件下，材料內部的缺陷演化和破壞機理也更加復雜, 需要進一步研究。

在這里，華南理工大學姚小虎教授課題組聯合太原理工大學王志華教授，與美國加州大學圣芭芭拉分校Irene J. Beyerlein教授課題組開展合作,使用大規模分子動力學、動態蒙特卡羅和晶體結構缺陷分析方法,對晶格畸變和化學短程序在沖擊加載下不同變形階段的作用和各階段之間變形機制的相關性，以及由此引發的層裂破壞機理進行研究。相關研究成果以“Role of local chemical fluctuations in the shock dynamics of medium entropy alloy CoCrNi”為題發表在金屬材料頂刊Acta Materialia上。華南理工大學博士生謝卓成為第一作者，合作作者還包括加州大學圣芭芭拉分校博士生簡武榮（共同通訊作者），Shuozhi Xu博士以及華南理工大學張曉晴教授。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542100759X

為了將晶格畸變和化學短程序的影響區分討論，研究者在構建具有不同化學短程有序度的CoCrNi中熵合金以外，還采用了整體材料性能等效于隨機CoCrNi合金的平均原子模型。研究表明，雨貢紐彈性極限與位錯成核以及位錯滑移的難易程度有關。圖1，對于平均原子模型，在滑移階段，由于沒有晶格畸變，滑移阻力較小，故彈性極限由位錯成核決定。擁有更多可動滑移系的方向，在沖擊加載下位錯成核更容易啟動，故方向的彈性極限低于方向。對于中熵合金，晶格畸變的存在使位錯成核變得容易但卻增加了位錯滑移所需克服的阻力,因此位錯滑移成為控制彈性極限的主要因素，故方向（更大的施密特因子對應更大的分剪應力）的彈性極限低于方向。而化學短程序同時增大位錯成核及位錯滑移所需克服的能壘，有助于進一步提高彈性極限。

圖1.各模型在和下的雨貢紐彈性極限

圖2. 隨機原子模型和平均原子模型層錯、孿晶以及位錯密度在下的演化過程

圖2，對比隨機原子模型和平均原子模型的缺陷密度，晶格畸變使位錯滑移速度減慢，有利于位錯間的相互作用，促進孿晶的形成。

圖3. 具有化學短程序單晶模型中的孔洞成核

圖3具有化學短程序的單晶合金中，Ni原子聚集區域對應更大的拉應變（原因是晶格失配：模型的晶格常數為(3.565 ), CoCr團簇 (3.592 )，Ni (3.507 )），因此孔洞傾向于在Ni原子聚集區域成核。

圖4. 不同沖擊速度下，孔洞的成核與演化

圖4，不同沖擊速度下，孔洞分別從兩列層錯的相交處或非晶態原子區域成核，這是因為層錯相交處（低速沖擊）或高速沖擊壓縮形成稀松的原子排列結構，為孔洞成核提供了初始成核源。成核位置均為Ni原子聚集區域。

圖5. 孔洞生長及其與周圍位錯以及孿晶界的相互作用

圖5，低速沖擊下，孔洞通過吸附周圍的位錯不斷長大；高速沖擊下，孔洞沿著非晶態原子區域擴大。孔洞的生長有可能被周圍的孿晶界所阻礙。

圖6. 多晶中孔洞的成核與演化

圖6，對于帶有化學短程序的多晶合金，孔洞易于從三重晶界相交處的Ni原子聚集區域成核。孔洞成核后沿晶界上的Ni原子聚集區域擴展,材料最終因晶界分離而破壞。化學短程序使得合金的孔洞擴展路徑更加崎嶇（圖7）。

圖7. 多晶模型的層裂破壞形貌

以上研究結果有助于通過調控多主元合金的局部化學環境，改善其在極端條件下的力學性能。該工作得到了國家自然科學基金杰出青年基金和面上項目基金的支持。

團隊介紹：

華南理工大學姚小虎教授研究團隊秉承“立足國家戰略需求，聚焦前沿，開放包容”的研究思想，與國內外多家單位機構交流合作。國際上，與美國阿拉莫斯國家重點實驗室、加州大學圣芭芭拉分校、普渡大學、南加州大學、德州農工大學聯合開展多項研究工作，相關研究成果已在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》、《International Journal of Plasticity》、《Acta Materialia》、《Carbon》、《International Journal of Impact Engineering》等固體力學和材料領域頂級期刊上發表多篇論文。研究領域主要涉及非晶合金、多主元合金、碳化硅陶瓷、航空透明材料、聚合物軟材料、碳纖維復合材料等在強動載下的變形、損傷和破壞機理。