日前，湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院教授方棋洪課題組聯(lián)合香港城市大學(xué)教授楊勇團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)了高熵合金“非均勻晶格應(yīng)變”強(qiáng)化新機(jī)制，開發(fā)了能夠調(diào)控復(fù)雜化學(xué)成分材料強(qiáng)韌性的計(jì)算模擬方法，為設(shè)計(jì)高性能高熵合金和高熵陶瓷等具有嚴(yán)重晶格畸變的材料提供了新策略。

6月13日，上述研究論文發(fā)表在美國《國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上，湖南大學(xué)博士陳陽和香港城市大學(xué)博士后赫全峰為論文共同第一作者，論文通訊作者為方棋洪和楊勇。湖南大學(xué)姜潮教授團(tuán)隊(duì)、中南大學(xué)劉詠教授團(tuán)隊(duì)等亦參與了該研究工作。

論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2200607119

非均勻晶格應(yīng)變場的實(shí)驗(yàn)表征和特征分析

與傳統(tǒng)合金相比，高熵合金因具有嚴(yán)重的原子尺度晶格畸變，表現(xiàn)出高強(qiáng)韌、耐輻照、抗斷裂和耐磨性等優(yōu)異的力學(xué)性能，在航空航天、核電和化工等重要工業(yè)領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)的Eshelby平均場方法難以捕捉非均勻晶格畸變，在介觀尺度上尚未闡明“高強(qiáng)度-延展性”背后的物理機(jī)制，嚴(yán)重阻礙了高熵合金的設(shè)計(jì)開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用。

為此，研究團(tuán)隊(duì)采用球差校正掃描透射電子顯微鏡獲得了FeCoCrNiMn高熵合金非均勻晶格應(yīng)變場，結(jié)合微米柱壓縮實(shí)驗(yàn)清楚地證明了非均勻應(yīng)變場對(duì)力學(xué)性能的重大作用，發(fā)現(xiàn)了由應(yīng)變幅值和離散度控制的新的“非均勻晶格應(yīng)變”強(qiáng)化機(jī)制，有別于析出相強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等傳統(tǒng)強(qiáng)化理論。調(diào)控材料內(nèi)在的非均勻晶格應(yīng)變?yōu)殚_發(fā)先進(jìn)的嚴(yán)重晶格扭曲晶體材料開辟了新的途徑。

研究人員進(jìn)一步通過統(tǒng)計(jì)分析原子尺度晶格應(yīng)變，闡明了高熵合金非均勻晶格應(yīng)變的分形特性，利用隨機(jī)場理論將非均勻晶格應(yīng)變場嵌入連續(xù)介質(zhì)模型中，開發(fā)了非均勻晶格應(yīng)變依賴的三維離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)了非均勻晶格應(yīng)變導(dǎo)致多重扭折/割階和多向多重交滑移的不尋常位錯(cuò)行為，為探明高熵合金高強(qiáng)韌的起源提供了新的視角。

非均勻晶格應(yīng)變誘發(fā)的非尋常位錯(cuò)行為

“我們進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)?zāi)M，以研究高熵合金中的非均勻晶格應(yīng)變誘導(dǎo)的強(qiáng)化，特別是研究了單晶張力、微柱壓縮等位錯(cuò)增殖以及存在異質(zhì)晶格應(yīng)變時(shí)的位錯(cuò)交叉滑移，揭示了高熵合金中強(qiáng)度-延展性協(xié)同效應(yīng)的非均勻應(yīng)變控制機(jī)制，這可以歸因于從傳統(tǒng)位錯(cuò)強(qiáng)化到非均勻晶格應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)位錯(cuò)強(qiáng)化的轉(zhuǎn)變。”論文第一作者、湖南大學(xué)副教授李甲表示，從長遠(yuǎn)來看，這項(xiàng)研究不僅為高熵合金中的位錯(cuò)硬化機(jī)制提供了定量的見解，而且還為通過微調(diào)或粗調(diào)固有的非均勻晶格應(yīng)變來發(fā)展高級(jí)嚴(yán)重畸變晶體固體打下基礎(chǔ)。

該論文審稿人認(rèn)為，該研究對(duì)理解高熵合金獨(dú)特的位錯(cuò)行為和強(qiáng)化機(jī)制是極其重要的進(jìn)展。該研究得到了國家自然科學(xué)基金等的資助。