導(dǎo)讀：高熵/中熵合金是一類具有強(qiáng)韌性組合的新型結(jié)構(gòu)金屬合金。5月19日Nature Communications上的一篇文章發(fā)現(xiàn)NiCoCr合金中，短程有序結(jié)構(gòu)（SRO）可以忽略不計(jì)，或者對(duì)屈服強(qiáng)度和錯(cuò)配量沒有任何重要影響；并指出SRO很難測(cè)量和控制且沒有理論來預(yù)測(cè)SRO引起的強(qiáng)化。

而5月20日Nature正刊上的一篇文章，通過實(shí)驗(yàn)在NiCoCr合金中直接觀察到了短程有序結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可以起到很好的強(qiáng)化效果，提高合金的層錯(cuò)能和硬度；可以通過調(diào)整熱力工藝參數(shù)來改變納米級(jí)的局部有序度，從而為調(diào)節(jié)中熵合金和高熵合金的機(jī)械性能提供新途徑。

高熵/中熵合金（HEA/MEA）是一類新型的結(jié)構(gòu)金屬合金，具有諸如高強(qiáng)度、高斷裂韌性等性能組合。MEA面心立方（fcc）NiCoCr在等成分fcc合金的Cr-Mn-Fe-Co-Ni系列中屈服強(qiáng)度最高，并且在低溫下具有良好的斷裂韌性。NiCoCr的穩(wěn)定堆垛層錯(cuò)能（SFE）為22±4 mJ/m2，第一原理密度泛函理論（DFT）研究顯示，低溫下SFE為負(fù)，僅在300 K附近才可能為正。基于DFT，已提出NiCoCr中的化學(xué)短程有序（SRO）作為SFE為正的原因，但是對(duì)于SRO是否可以忽略不計(jì)或者是否對(duì)性能有不同影響仍有爭(zhēng)議。

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（洛桑）的研究人員以NiCoCr合金為對(duì)象，研究了SRO對(duì)性能的影響。發(fā)現(xiàn)NiCoCr合金中，SRO可以忽略不計(jì)，或存在但對(duì)屈服強(qiáng)度和錯(cuò)配量沒有任何重要影響。相關(guān)論文以題為“Yield strength and misfit volumes of NiCoCr and implications for short-range-order”于5月19日發(fā)表在Nature Communications。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16083-1

本研究中Ni-Co-Cr合金通過真空電弧熔煉制備。合金錠先冷軋50%，在1100℃均勻化50h，此時(shí)材料幾乎是隨機(jī)的織構(gòu)，晶粒尺寸約100μm；二次冷軋80%，在900℃退火15min，此時(shí)獲得完全再結(jié)晶，幾乎隨機(jī)的織構(gòu)微結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸為幾微米。

研究使用不同的退火溫度，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)不同水平的SRO，進(jìn)而影響屈服強(qiáng)度和硬度。如果能夠引起SRO并影響性能，則實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不應(yīng)遵循單一的Hall-Petch（HP）關(guān)系，但是實(shí)際數(shù)據(jù)確實(shí)僅遵循一種HP關(guān)系。NiCoCr屈服強(qiáng)度沒有顯示出SRO的任何重大影響結(jié)果。經(jīng)冷軋后的合金分別在600和700℃下退火384h后，晶粒尺寸無變化，硬度也基本相同，說明這種條件下，任何SRO對(duì)機(jī)械性能均無可測(cè)量的影響。

圖1 關(guān)于NiCoCr中的屈服強(qiáng)度與晶粒大小的平方反比的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)匯總（Hall-Petch縮放比例）

通過測(cè)量合金中Ni、Co和Cr的錯(cuò)配量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，NiCoCr中每種元素周圍的局部環(huán)境與無規(guī)二元合金沒有明顯區(qū)別，因此沒有發(fā)現(xiàn)SRO存在的證據(jù)。該結(jié)論不排除在某些加工條件下（例如，在500℃下退火）可能形成SRO。最近的一項(xiàng)研究確實(shí)報(bào)告了SRO的證據(jù)和NiCoCr強(qiáng)度的增強(qiáng)約50 MPa。該研究的工藝包括在1000℃退火120h后的爐溫冷卻，在T<600℃的慢爐冷卻過程中，這些材料中可能會(huì)產(chǎn)生SRO，這與文獻(xiàn)中在此溫度范圍內(nèi)的SRO發(fā)展完全一致，而本研究在600℃和700℃進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的退火后，硬度也沒有變化。

圖2 在合金周圍的四個(gè)組成處測(cè)得的Ni-Co-Cr樣品的組成和原子體積

圖3Ni-Co和Ni-Cr二元合金的合金原子體積分別與Co和Cr組成（黑色符號(hào)）以及表觀體積用于Ni，Co和Cr組成（彩色線）的關(guān)系

圖4室溫實(shí)驗(yàn)和DFT測(cè)得的各種fcc合金中Ni（綠色），Co（紅色）和Cr（藍(lán)色）的表觀體積

綜上所述，盡管在NiCoCr中獲得SRO可能仍然具有研究興趣，但是通過探索更廣泛類別的合金元素中的新成分，可以更好地實(shí)現(xiàn)在各種HEA/MEA中追求高性能合金的目的。例如，最近據(jù)報(bào)道NiCoV合金的強(qiáng)度約為400 MPa，幾乎是NiCoCr強(qiáng)度的兩倍。NiCoV的強(qiáng)度可以通過無規(guī)合金溶質(zhì)強(qiáng)化理論進(jìn)行預(yù)測(cè)，而SRO很難測(cè)量和控制且沒有理論來預(yù)測(cè)SRO引起的強(qiáng)化。

而在這篇文章發(fā)表第二天，美國(guó)加州大學(xué)的研究人員相關(guān)論文以題為“Short-range order and its impact on the CrCoNi medium-entropy alloy”發(fā)表在Nature正刊（點(diǎn)擊查看）。研究人員使用能量過濾的透射電子顯微鏡，觀察了CrCoNi中熵合金中短程有序結(jié)構(gòu)特征，提供了化學(xué)短程有序（SRO）結(jié)果的定量可視化，研究了該SRO對(duì)MEA/HEA材料力學(xué)行為的直接影響，發(fā)現(xiàn)這種數(shù)量級(jí)的增加會(huì)引起更高的堆垛層錯(cuò)能（SFE）和硬度。研究人員直接成像了局域有序化，并展示了MEAs的變形行為如何與SRO程度直接相關(guān)。由于SRO對(duì)材料力學(xué)性能的影響，SRO是材料設(shè)計(jì)階段必須考慮的一個(gè)重要特征，可以通過熱機(jī)械加工來調(diào)整納米級(jí)的局部有序度，從而為調(diào)節(jié)中熵合金和高熵合金的機(jī)械性能提供了新途徑。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2275-z

雖然兩篇文章的觀點(diǎn)相差很大，

但或許這就是科研的魅力所在。

在探索中、爭(zhēng)鳴中不斷發(fā)展前進(jìn)！