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北科大呂昭平團隊《JMST》：交滑移提升中熵合金塑性變形能力！

2022-09-07 11:10:05 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

HCP金屬在工程應用中發揮著重要作用，近年來，人們對提高HCP合金延性進行了大量的研究，降低基礎I1層錯能(SFE)(即本征層錯之一)和調整軸向比c/a可以有效激活<c+a>位錯(即錐體位錯)。此外，<c+a>位錯的滑移能自行提供五個獨立的滑移系統，滿足泰勒-馮-米塞斯準則因此，在這些HCP合金中促進塑性流動，最終在拉伸下獲得高塑性。

然而，來自北科大呂昭平等人發現Hfx(ZrTi)100-x 中熵合金(MEAs)不隨Hf的加入而降低，但顯著提高了合金的拉伸延性。與上述傳統觀點不同，系統實驗結果結合第一原理計算發現，基底I2 SFE(即另一種固有層錯或變形層錯）的增加和柱狀層錯能量的降低有效地促進了交叉滑移，從而增加了<c+a>位錯的來源。這篇文章提供了另一種改善HCP合金塑性變形的機制，這可能有助于開發先進的HCP合金。相關論文以題“Enhanced plastic deformation capacity in hexagonal-close-packed medium entropy alloys via facilitating cross slip”發表在JMST。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.05.059

圖1HCP單晶胞中典型滑移面和取向示意圖(a)。用于計算各種滑移系統的SFE的初始和位移超晶胞示意圖:(b){0001} <11-20>和(c){10-10} <11-20>。紅線表示滑動的平面。增加了15 ?的真空寬度，以避免由于周期性圖像造成的交互。

第一性原理計算基于密度泛函理論，使用維也納從頭開始模擬包中實現的投影機增強波方法。計算得到每個原子的總能量收斂為1 meV，動能截止值為350 eV。

圖2(a) (e)Hf0，(b)(f) Hf20，(c)(g)Hf33和(d)(h) Hf40的SEM圖和亮場TEM圖像。插圖顯示相應的SAED模式。(i) Hf40在HCP板條內部Hf、Zr、Ti原子分布的3D APT重構

Hf含量較高的MEA顯示出更穩定的應變硬化，特別是Hf40 MEA具有顯著的塑性變形能力。隨著Hf的增加，由于Hf的原子半徑大，c和a值都增加了。然而，軸向比c/a只是略有變化。所有的MEA都構成了Widmanst?tten薄片結構，馬氏體板條的尺寸從幾十納米到幾微米不等。薄片結構的形成與六方晶體結構固有的各向異性有關。在3D重建中沒有觀察到明顯的元素分離，表明所有元素的均勻分布。

圖3在不同雙束條件下，2%預應變Hf0(a1-b2)、Hf20 (c1-d2)和Hf40 (e1-f2)樣品的形貌和位錯類型。(g) (e2)中白色圓圈突出顯示的位錯放大圖。(h) <c+a>位錯的放大圖，在(f2)中用紅色圓圈突出顯示。

Hf0中的位錯表現出典型的平面滑移模式，并隨著Hf的增加逐漸轉變為更強烈和波浪形的滑移線，表明交叉滑移行為逐漸增強。階梯形<c+a>位錯的兩條直線段與斜接段之間的角度約為28°，接近棱柱平面與一階錐面之間的角度。因此，可以推測<c+a>位錯可能在棱柱面（例如{10-10}平面）和一階錐面（例如{10-11}平面）之間具有雙交叉滑動。

圖5 <c+a>錐體滑移系統位錯源的演化。(a) 位錯在基面上發生滑移，(b) 位錯在棱鏡面上發生交叉滑移，(c)形成<c+a>位錯連接，(d) <c+a>位錯在錐體面上發生交叉滑移。

可以看出，<a>位錯最初在基平面上滑動，并逐漸交叉滑落到棱鏡平面上。因此，這種特殊的位錯可以與棱鏡平面上的<c>位錯連接，形成<c+a>位錯結，并最終交叉滑到錐面。顯然，我們的結果表明，<a>位錯的交叉滑可以通過增加I2 SFE來增強，而Hf的添加導致棱柱形SFE的降低，最終促進了<c+a>位錯。

綜上所述，Hf對HCP Hfx（ZrTi）100-xMEA的加工硬化和力學性能的影響進行了詳細研究。結果表明，增加Hf含量可以增加I2 SFE并降低棱柱SFE，從而增強交叉滑移并促進錐形位錯。因此，隨著Hf的增加，這些HCP合金的延展性和加工硬化能力明顯提高。目前的工作為進一步提高HCP材料的延展性和加工硬化提供了另一種有用的方法，通過調整SFE來增強交叉滑移，從而增強錐形位錯。

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