近日，浙江大學交叉力學中心聯合德國馬普鋼鐵研究所提出了運用高熵合金（HEA）概念設計新型高性能密排六方（HCP）合金的理念。相關成果以「Nonbasal slip systems enable a strong and ductile hexagonal-close-packed high-entropy phase」為題發表在《Physical Review Letters》雜志上。交叉力學中心博士生卜葉強和馬普鋼鐵研究所李志明博士為共同第一作者，交叉力學中心王宏濤教授、劉嘉斌副教授和馬普鋼鐵研究所 Dierk Raabe 教授為共同通訊作者，共同作者還有交叉力學中心的楊衛院士。

Mg、Ti 等 HCP 金屬具有獨特的物理化學力學性能，在科學技術領域和國民社會經濟上具有重要地位。尤其是 Mg 以其地球儲量豐富、輕質高強性質被譽為 21 世紀最有前途的工程材料。然而與面心立方和體心立方結構的金屬相比，傳統 HCP 金屬滑移系較少，其塑性較差，極大地限制了生產加工制造。HCP 金屬所能開啟的滑移系與其晶體結構的軸比密切相關，對于軸比較大的金屬如 Mg、Zn 等，其內部位錯主要在基面上滑移；而對于軸比較小的金屬如 Ti、Zr 等，其內部位錯主要在柱面上滑移。這種位錯單一地在基面或者柱面上的滑移難以實現材料的均勻塑性變形。調控 HCP 金屬的軸比以激活錐面位錯滑移是獲得高性能 HCP 金屬的關鍵。

已有研究表明，添加適當的合金元素是調控 HCP 軸比的有效方法。傳統合金設計中溶質濃度有限，因此軸比的調控范圍較小。高熵合金設計思路打破了傳統合金單一主元束縛，含有多種主要元素，其合金元素濃度遠高于傳統合金，顯著拓展了 HCP 軸比的調控范圍。研究團隊發現 Fe50Mn30Co10Cr10 高熵合金中 HCP 相表現出很好的塑性變形能力，X 射線衍射結果表明該 HCP 相的軸比顯著低于理論值。通過透射電子顯微鏡原位拉伸實驗，發現該 HCP 相在變形過程中錐面滑移系的位錯運動活躍。基于大量的透射電子顯微鏡表征，統計出該 HCP 相中包含高達 31 % 的非基面位錯。

基于該合金設計方法，有望運用高熵合金思路對傳統 HCP 金屬進行軸比的大幅調整，開發出高韌性高成型能力的新型 HCP 合金。

▲ 圖1.  原位透射電子顯微鏡表征表明 HCP 相中的非基面位錯滑移被激活。

▲ 圖2.  非原位透射電子顯微鏡表征表明HCP相中存在大量非基面位錯。

▲ 圖3.  通過與傳統鎂、鈦合金的比較，表明高熵 HCP相因其含高溶質濃度使得軸比得到大幅調整處在能夠激發多滑移系的區域。

浙江大學交叉力學中心由楊衛院士牽頭創建。中心以力學為牽引，實現各學科交叉融合，孕育新的學科增長點，研究方向包括力學與人工智能交叉、力學與材料基因交叉以及力學與電子信息交叉，形成基礎研究，工程應用和前沿技術三大特色。

原文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.075502