日前，湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院教授方棋洪課題組聯(lián)合香港城市大學(xué)教授楊勇團隊，發(fā)現(xiàn)了高熵合金“非均勻晶格應(yīng)變”強化新機制，開發(fā)了能夠調(diào)控復(fù)雜化學(xué)成分材料強韌性的計算模擬方法，為設(shè)計高性能高熵合金和高熵陶瓷等具有嚴(yán)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(fā)表在美國《國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上，湖南大學(xué)博士陳陽和香港城市大學(xué)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(xué)姜潮教授團隊、中南大學(xué)劉詠教授團隊等亦參與了該研究工作。

論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2200607119

非均勻晶格應(yīng)變場的實驗表征和特征分析

與傳統(tǒng)合金相比，高熵合金因具有嚴(yán)重的原子尺度晶格畸變，表現(xiàn)出高強韌、耐輻照、抗斷裂和耐磨性等優(yōu)異的力學(xué)性能，在航空航天、核電和化工等重要工業(yè)領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)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(yán)重阻礙了高熵合金的設(shè)計開發(fā)及工業(yè)應(yīng)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(yīng)變場，結(jié)合微米柱壓縮實驗清楚地證明了非均勻應(yīng)變場對力學(xué)性能的重大作用，發(fā)現(xiàn)了由應(yīng)變幅值和離散度控制的新的“非均勻晶格應(yīng)變”強化機制，有別于析出相強化、固溶強化等傳統(tǒng)強化理論。調(diào)控材料內(nèi)在的非均勻晶格應(yīng)變?yōu)殚_發(fā)先進的嚴(yán)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(tǒng)計分析原子尺度晶格應(yīng)變，闡明了高熵合金非均勻晶格應(yīng)變的分形特性，利用隨機場理論將非均勻晶格應(yīng)變場嵌入連續(xù)介質(zhì)模型中，開發(fā)了非均勻晶格應(yīng)變依賴的三維離散位錯動力學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)了非均勻晶格應(yīng)變導(dǎo)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。

非均勻晶格應(yīng)變誘發(fā)的非尋常位錯行為

“我們進行了大量實驗?zāi)M，以研究高熵合金中的非均勻晶格應(yīng)變誘導(dǎo)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(zhì)晶格應(yīng)變時的位錯交叉滑移，揭示了高熵合金中強度-延展性協(xié)同效應(yīng)的非均勻應(yīng)變控制機制，這可以歸因于從傳統(tǒng)位錯強化到非均勻晶格應(yīng)變增強位錯強化的轉(zhuǎn)變。”論文第一作者、湖南大學(xué)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(diào)或粗調(diào)固有的非均勻晶格應(yīng)變來發(fā)展高級嚴(yán)重畸變晶體固體打下基礎(chǔ)。

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。該研究得到了國家自然科學(xué)基金等的資助。