強度和韌性是金屬結構材料的兩個重要力學性能，但二者往往存在“倒置”關系,如何同時提高強度和韌性是力學和材料學領域研究的熱門課題。近年來，亞穩高熵合金在低溫下表現出優異的強度和韌性，為有效解決該問題提供了潛在機會，因而高熵合金的亞穩化設計理念受到了廣泛關注。

為了更好地理解結構材料的亞穩特性并其優化力學性能，燕山大學材料學院張宴會老師及其合作者，采用多種先進的結構搜索技術，探索了典型耐高溫體系Ti-Zr-Hf-Ta龐大的構型空間和復雜的能量空間。相關工作得到國家自然科學基金，河北省自然科學基金、河北省教育廳、河北省金屬產品工藝及性能優化控制重點實驗室、愛爾蘭研究委員會等的資助。論文以“Metastable high entropy alloys of TiZrHfTa with glass-like characteristics at low temperatures”發表在金屬材料領域頂級期刊Acta Materialia，作者為張宴會，周云凱，王利民，Stefano Sanvito。張宴會老師是該論文的通訊兼第一作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119031

圖1：非晶物理和亞穩高熵合金之間的內在關聯性示意圖：高熵合金在高溫下呈現出高熵穩定的無序混合固溶體特性，但在低溫下呈現出類玻璃的特征，比如，淺勢能面和寬的能谷、能態多樣性和可變性、局部原子結構的靈活性（發生短程有序化和馬氏體相變等轉變）。

研究結果表明，隨著該體系中Ta含量的降低，其勢能面由典型晶體材料的深勢阱，逐漸向類似于非晶材料的淺勢能面和寬能谷化發展（圖2）。這很好地解釋了實驗發現低Ta含量時出現的亞穩結構演化和馬氏體相變現象。此外，通過與混溶度高的Zr-Hf和混溶度低的Zr-Ta體系進行對比分析發現，雖然高溫下TiZrHfTa具有高構型熵穩定化的固溶體結構和成分均勻性，但是在低溫下，展現出了熱力學亞穩性、能態多樣性（圖3和圖4）、結構的靈活性（短程有序化情況見圖5），以及由Zr-Ta原子對分離誘發的局部成分和原子結構的異質性（圖4和圖6）；而在高溫下又會呈現出典型的由高構型熵穩定的無序混合固溶體特性。值得注意的是，這些低溫下的能量和結構特性，常常出現在非晶合金體系中，與混溶度較好的固溶合金截然不同。

圖2 （TiZrHf）1-xTax勢能面的3D和2D投影圖（以晶格常數a和軸比c/a為參數構建）。（a~c）為包含36個原子的SQS超胞模擬結果，Ta含量分別為0.250，0.167，0.138。圖（d~f）為包含72個原子的SQS超胞模擬結果，Ta含量分別為0.250，0.208，0.167，0.125。

圖3 等摩爾比合金的形成能分布圖（a）hcp ZrHf，（b）bcc ZrTa，（c）bcc TiZrHfTa。對于每組合金而言，使用了三種不同的結構采樣方法：枚舉非等價的超胞法，基態全局搜索法和Wang-Landau加速采樣法

圖4 基于Wang-Lauda蒙特卡洛采樣和集團展開開展ZrHf（hcp），ZrTa（bcc），ZrHfTa（bcc）和TiZrHfTa（bcc）合金的熱力學學對比分析：（a）構型態密度，（b）構型熵，（c）構型潛熱，（d）構型熵與理想混合熵的偏差程度

圖5 Warren-Cowley短程有序參數隨溫度的變化情況：（a）Zr-Hf原子對，（b）Zr-Ta原子對。這里對比了ZrHf（hcp）、ZrTa（bcc）、ZrHfTa（bcc）和TiZrHfTa（bcc）合金短程有序化的差異性。

圖6（a）構型態密度和（b）構型熵與理想混合熵偏差程度隨Ta含量的變化情況。這里也與ZrHf（hcp），ZrTa（bcc）合金進行了對比分析。

該工作聚焦于高熵合金的亞穩設計理念，從勢能面、能量展寬、局部原子結構和化學復雜性等維度探討了亞穩晶態HEA和亞穩非晶態物質的相似之處，為建立高熵合金亞穩設計和玻璃化行為間的聯系奠定了理論基礎，為亞穩高熵合金的成分設計提供了理論指導，也為理解高熵合金亞穩態的物理機制提供了新思路。