強(qiáng)度和韌性是金屬結(jié)構(gòu)材料的兩個重要力學(xué)性能，但二者往往存在“倒置”關(guān)系,如何同時提高強(qiáng)度和韌性是力學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域研究的熱門課題。近年來，亞穩(wěn)高熵合金在低溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，為有效解決該問題提供了潛在機(jī)會，因而高熵合金的亞穩(wěn)化設(shè)計理念受到了廣泛關(guān)注。

為了更好地理解結(jié)構(gòu)材料的亞穩(wěn)特性并其優(yōu)化力學(xué)性能，燕山大學(xué)材料學(xué)院張宴會老師及其合作者，采用多種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)搜索技術(shù)，探索了典型耐高溫體系Ti-Zr-Hf-Ta龐大的構(gòu)型空間和復(fù)雜的能量空間。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金，河北省自然科學(xué)基金、河北省教育廳、河北省金屬產(chǎn)品工藝及性能優(yōu)化控制重點實驗室、愛爾蘭研究委員會等的資助。論文以“Metastable high entropy alloys of TiZrHfTa with glass-like characteristics at low temperatures”發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂級期刊Acta Materialia，作者為張宴會，周云凱，王利民，Stefano Sanvito。張宴會老師是該論文的通訊兼第一作者。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119031

圖1：非晶物理和亞穩(wěn)高熵合金之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性示意圖：高熵合金在高溫下呈現(xiàn)出高熵穩(wěn)定的無序混合固溶體特性，但在低溫下呈現(xiàn)出類玻璃的特征，比如，淺勢能面和寬的能谷、能態(tài)多樣性和可變性、局部原子結(jié)構(gòu)的靈活性（發(fā)生短程有序化和馬氏體相變等轉(zhuǎn)變）。

研究結(jié)果表明，隨著該體系中Ta含量的降低，其勢能面由典型晶體材料的深勢阱，逐漸向類似于非晶材料的淺勢能面和寬能谷化發(fā)展（圖2）。這很好地解釋了實驗發(fā)現(xiàn)低Ta含量時出現(xiàn)的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)演化和馬氏體相變現(xiàn)象。此外，通過與混溶度高的Zr-Hf和混溶度低的Zr-Ta體系進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，雖然高溫下TiZrHfTa具有高構(gòu)型熵穩(wěn)定化的固溶體結(jié)構(gòu)和成分均勻性，但是在低溫下，展現(xiàn)出了熱力學(xué)亞穩(wěn)性、能態(tài)多樣性（圖3和圖4）、結(jié)構(gòu)的靈活性（短程有序化情況見圖5），以及由Zr-Ta原子對分離誘發(fā)的局部成分和原子結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性（圖4和圖6）；而在高溫下又會呈現(xiàn)出典型的由高構(gòu)型熵穩(wěn)定的無序混合固溶體特性。值得注意的是，這些低溫下的能量和結(jié)構(gòu)特性，常常出現(xiàn)在非晶合金體系中，與混溶度較好的固溶合金截然不同。

圖2 （TiZrHf）1-xTax勢能面的3D和2D投影圖（以晶格常數(shù)a和軸比c/a為參數(shù)構(gòu)建）。（a~c）為包含36個原子的SQS超胞模擬結(jié)果，Ta含量分別為0.250，0.167，0.138。圖（d~f）為包含72個原子的SQS超胞模擬結(jié)果，Ta含量分別為0.250，0.208，0.167，0.125。

圖3 等摩爾比合金的形成能分布圖（a）hcp ZrHf，（b）bcc ZrTa，（c）bcc TiZrHfTa。對于每組合金而言，使用了三種不同的結(jié)構(gòu)采樣方法：枚舉非等價的超胞法，基態(tài)全局搜索法和Wang-Landau加速采樣法

圖4 基于Wang-Lauda蒙特卡洛采樣和集團(tuán)展開開展ZrHf（hcp），ZrTa（bcc），ZrHfTa（bcc）和TiZrHfTa（bcc）合金的熱力學(xué)學(xué)對比分析：（a）構(gòu)型態(tài)密度，（b）構(gòu)型熵，（c）構(gòu)型潛熱，（d）構(gòu)型熵與理想混合熵的偏差程度

圖5 Warren-Cowley短程有序參數(shù)隨溫度的變化情況：（a）Zr-Hf原子對，（b）Zr-Ta原子對。這里對比了ZrHf（hcp）、ZrTa（bcc）、ZrHfTa（bcc）和TiZrHfTa（bcc）合金短程有序化的差異性。

圖6（a）構(gòu)型態(tài)密度和（b）構(gòu)型熵與理想混合熵偏差程度隨Ta含量的變化情況。這里也與ZrHf（hcp），ZrTa（bcc）合金進(jìn)行了對比分析。

該工作聚焦于高熵合金的亞穩(wěn)設(shè)計理念，從勢能面、能量展寬、局部原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)復(fù)雜性等維度探討了亞穩(wěn)晶態(tài)HEA和亞穩(wěn)非晶態(tài)物質(zhì)的相似之處，為建立高熵合金亞穩(wěn)設(shè)計和玻璃化行為間的聯(lián)系奠定了理論基礎(chǔ)，為亞穩(wěn)高熵合金的成分設(shè)計提供了理論指導(dǎo)，也為理解高熵合金亞穩(wěn)態(tài)的物理機(jī)制提供了新思路。