《周易》有云：“尺蠖之屈，以求信也；龍蛇之蟄，以存身也”。所謂丈夫之志，能屈能伸，堅(jiān)強(qiáng)與堅(jiān)韌并存，是歷史和自然對(duì)一個(gè)完美事物的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。金屬材料的制備和使用淵源千年，是我們建設(shè)和改變世界所用的最大量和最重要的材料之一。然而完美難以企及，金屬材料的強(qiáng)與韌往往不可兼得。因此從幾千年前冷兵器時(shí)代武器制造開始，人們就一直在追求堅(jiān)強(qiáng)與堅(jiān)韌并存的金屬材料，也是從那個(gè)時(shí)候開始，人們已經(jīng)意識(shí)到，金屬材料的不同處理過程一定在改變著什么，因?yàn)樗鼤?huì)帶來強(qiáng)韌性的顯著變化。隨著我們認(rèn)知世界的能力逐步提高，我們已經(jīng)知道，這個(gè)“什么”，就是材料的結(jié)構(gòu)。所謂“千錘百煉”也就是說的這個(gè)改變結(jié)構(gòu)以求更好性能的本征關(guān)系。
近年來，這個(gè)歷史悠久的金屬結(jié)構(gòu)材料研究領(lǐng)域又被激起了一朵浪花。人們研究發(fā)現(xiàn)，如果打破傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)方法（少量合金元素添加進(jìn)主元素中），將多種元素等原子比固溶在一起，理論上會(huì)制得原子排列有序而元素排列無序的所謂高熵合金。部分高熵合金可以同時(shí)具備高強(qiáng)度和高塑性，從而打破傳統(tǒng)金屬中強(qiáng)塑性難以兼得的困境。但是背后的原因卻讓人摸不透。對(duì)于高熵合金結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)性的研究大有“廬山”之態(tài)。
近日，張澤院士團(tuán)隊(duì)的余倩和美國喬治亞理工學(xué)院的朱廷、加州大學(xué)伯克利分校的Robert. Ritchie合作，從解密高熵合金中元素分布開始著手，揭開了廬山真面目。余倩說：“準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)高熵合金中高強(qiáng)塑性背后的本征原因將幫助我們揭秘高效的強(qiáng)韌化機(jī)理，有利于材料性能優(yōu)化設(shè)計(jì)和高性能合金的研發(fā)。”
北京時(shí)間10月10日，這項(xiàng)成果在線刊登在國際頂尖雜志《自然》（《Nature》）上。論文的第一單位為浙江大學(xué)，第一作者是浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高溫合金研究所丁青青博士，清華大學(xué)陳曉博士、喬治亞理工Ying Zhang為共同第一作者，通訊作者是電子顯微鏡中心余倩教授，喬治亞理工Ting Zhu教授、加州大學(xué)伯克利分校Robert Ritchie教授為共同通訊作者。
（論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1617-1）
余倩與課題組同學(xué)合影
百煉剛?cè)绾位癁槔@指柔
何為高熵合金？這是由多種元素高濃度固溶在一起所形成的晶體結(jié)構(gòu)清楚而元素分布混亂的固溶體，其中一種典型的高熵合金Cantor alloy由鐵，鈷，鎳，鉻和錳這幾種元素組成。由于性能由結(jié)構(gòu)決定，晶格又是位錯(cuò)等缺陷結(jié)構(gòu)和行為的本征調(diào)控單元，解密高熵合金中基元-序構(gòu)-性能的關(guān)聯(lián)性是關(guān)鍵。然而鐵，鈷，鎳，鉻和錳皆為近鄰，電負(fù)性、原子半徑、原子序數(shù)等差異不大，從晶格尺度直接解析高熵合金的變形機(jī)理非常困難。
“作為一種最重要的晶體缺陷，位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)何時(shí)啟動(dòng)，啟動(dòng)之后如何滑移和交互作用直接影響材料的強(qiáng)度和塑性變形能力。而從位錯(cuò)理論來看，位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)、行為又直接受原子尺度的晶格所影響，特別是各種原子的排列、分布等。”余倩說。
丘陵”起伏 ——位錯(cuò)滑移宛如“交叉潮”“回頭潮”
余倩課題組首先通過原子尺度的元素分布表征，揭示了高熵合金多種元素如何固溶在一起的重要疑問。“我們發(fā)現(xiàn)了高熵合金中獨(dú)特的濃度波起伏，相比于傳統(tǒng)固溶體合金中在晶格尺度趨于平直的元素濃度波起伏，高熵合金中，即使是CrMnFeCoNi合金也存在各種元素的濃度在晶格間25%到15%的震蕩。這樣的濃度起伏會(huì)帶來納米尺度晶格阻力的震蕩和局域?qū)渝e(cuò)能的變化。”余倩說。緊接著，通過在保證完全固溶的前提下增加元素間電負(fù)性和原子大小的差距，貝紅斌老師制備了納米尺度各種元素濃度起伏在60%到0之間CrFeCoNiPd合金。
這就好比一堆蘋果、梨、橙子，乍一看都差不多，換上一個(gè)西瓜，就很顯眼了，“把錳換成了鈀，晶格調(diào)控效應(yīng)放大了，便于我們‘看清’背后的機(jī)理。”丁青青說。
在高倍電鏡的放大下，研究人員看到，一條條的位錯(cuò)線，好像一浪一浪的錢塘潮，滾滾向前。普通材料的位錯(cuò)線是沿著固定的滑移帶像一線潮那樣奔涌向前。但是CrFeCoNiPd合金中，位錯(cuò)線卻走得磕磕絆絆。打個(gè)比方，本來整體往前走的一線潮，就像遇到了丘陵般起伏的水底，改變了方向和形狀，形成了“交叉潮”甚至“回頭潮”。
CrFeCoNiPd合金中較大晶格阻力導(dǎo)致位錯(cuò)在FCC晶格中滑移時(shí)即可產(chǎn)生位錯(cuò)塞積
這些“丘陵”就是不同元素的濃度起伏，他們的存在是晶格尺度下的調(diào)控位錯(cuò)移動(dòng)的本質(zhì)。
科研人員把這樣的位錯(cuò)移動(dòng)稱為交滑移，位錯(cuò)不沿著原有的晶面走，而是選擇了另一個(gè)晶面。這樣，位錯(cuò)之間的相互作用就會(huì)增加，提供了更多變形的可能，同時(shí)也“呼喚”更強(qiáng)的外力來推動(dòng)位錯(cuò)往前走。
“大量的交滑移作用，使得合金有更好的均勻變形能力又有更好的強(qiáng)度，魚和熊掌可以兼得了。”課題組成員符曉倩說。
CrFeCoNiPd合金中位錯(cuò)塞積將導(dǎo)致高密度交滑移、二次交滑移
在普通材料中，出現(xiàn)如此大量的劇烈的交滑移并不常見。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在CrFeCoNiPd合金中，鈀的加入引起了所有元素濃度波起伏的加劇。由于濃度波的波幅大大增加，室溫下材料塑性變形方式從傳統(tǒng)的不全位錯(cuò)滑移、全位錯(cuò)滑移、孿晶變形等轉(zhuǎn)變?yōu)楹币姷拇罅烤鶆蚍植嫉慕换茷橹鲗?dǎo)的變形方式。同時(shí)，原子內(nèi)應(yīng)力分布發(fā)生變化，引起極小空間尺度的晶格阻力震蕩顯著加劇，在晶格中造出來丘陵的地貌，這是大量交滑移出現(xiàn)的本質(zhì)原因，也使得材料的力學(xué)性能與CrMnFeCoNi合金相比，在保證相當(dāng)水平的塑性變形能力的情況下，強(qiáng)度顯著提高。
該研究揭示了高熵合金中晶格調(diào)控力學(xué)性能的特殊機(jī)制，與傳統(tǒng)的界面調(diào)控（包括晶界、相界、第二相界面等）以及團(tuán)簇等精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)控相比，高熵合金中獨(dú)特的濃度波調(diào)控極精細(xì)并具有連續(xù)性，是一種可控和高效的材料強(qiáng)韌化方法。《Nature》的專家評(píng)審意見認(rèn)為，該工作對(duì)理解復(fù)雜成分合金（傳統(tǒng)固溶強(qiáng)化理論無法適用）中的強(qiáng)化機(jī)理具有重要理論意義。
基礎(chǔ)科學(xué)認(rèn)知是應(yīng)用的基礎(chǔ)，雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越。高熵合金強(qiáng)度與塑性兼得的特點(diǎn)以及優(yōu)良的低溫性能，在未來航空、南北極等對(duì)溫度要求嚴(yán)苛的材料制備上大有可為，同時(shí)在防撞領(lǐng)域上也有重要應(yīng)用。
本研究受到國家自然科學(xué)基金委的資助。
文字記者：吳雅蘭丨柯溢能
攝影記者：盧紹慶丨部分圖片由課題組提供
攝像記者：汪曉勇
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