研究者發現高熵合金非均勻晶格應變強化新機制

記者6月17日從湖南大學獲悉，該校機械與運載工程學院教授方棋洪課題組聯合香港城市大學教授楊勇團隊，發現了高熵合金“非均勻晶格應變”強化新機制，開發了能夠調控復雜化學成分材料強韌性的計算模擬方法，為設計高性能高熵合金和高熵陶瓷等具有嚴重晶格畸變的材料提供了新策略。

6月13日，上述研究論文發表在美國《國家科學院院刊》（PNAS）上，湖南大學博士陳陽和香港城市大學博士后赫全峰為論文共同第一作者，論文通訊作者為方棋洪和楊勇。湖南大學姜潮教授團隊、中南大學劉詠教授團隊等亦參與了該研究工作。

與傳統合金相比，高熵合金因具有嚴重的原子尺度晶格畸變，表現出高強韌、耐輻照、抗斷裂和耐磨性等優異的力學性能，在航空航天、核電和化工等重要工業領域具有巨大應用潛力。然而，傳統的Eshelby平均場方法難以捕捉非均勻晶格畸變，在介觀尺度上尚未闡明“高強度-延展性”背后的物理機制，嚴重阻礙了高熵合金的設計開發及工業應用。

為此，研究團隊采用球差校正掃描透射電子顯微鏡獲得了FeCoCrNiMn高熵合金非均勻晶格應變場，結合微米柱壓縮實驗清楚地證明了非均勻應變場對力學性能的重大作用，發現了由應變幅值和離散度控制的新的“非均勻晶格應變”強化機制，有別于析出相強化、固溶強化等傳統強化理論。調控材料內在的非均勻晶格應變為開發先進的嚴重晶格扭曲晶體材料開辟了新的途徑。

研究人員進一步通過統計分析原子尺度晶格應變，闡明了高熵合金非均勻晶格應變的分形特性，利用隨機場理論將非均勻晶格應變場嵌入連續介質模型中，開發了非均勻晶格應變依賴的三維離散位錯動力學方法，發現了非均勻晶格應變導致多重扭折/割階和多向多重交滑移的不尋常位錯行為，為探明高熵合金高強韌的起源提供了新的視角。

“我們進行了大量實驗模擬，以研究高熵合金中的非均勻晶格應變誘導的強化，特別是研究了單晶張力、微柱壓縮等位錯增殖以及存在異質晶格應變時的位錯交叉滑移，揭示了高熵合金中強度-延展性協同效應的非均勻應變控制機制，這可以歸因于從傳統位錯強化到非均勻晶格應變增強位錯強化的轉變。”論文第一作者、湖南大學副教授李甲表示，從長遠來看，這項研究不僅為高熵合金中的位錯硬化機制提供了定量的見解，而且還為通過微調或粗調固有的非均勻晶格應變來發展高級嚴重畸變晶體固體打下基礎。

該論文審稿人認為，該研究對理解高熵合金獨特的位錯行為和強化機制是極其重要的進展。