傳統(tǒng)強(qiáng)化方法可以將材料的屈服強(qiáng)度提高至10⁹帕（GPa）水平。然而，強(qiáng)度的大幅提升通常伴隨著拉伸塑性的大幅降低。對(duì)金屬而言，其原因是在高流變應(yīng)力下拉伸時(shí)極易發(fā)生嚴(yán)重的變形局域化，使得塑性變形失去穩(wěn)定性。只有當(dāng)加工硬化率（應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率）足夠高時(shí)（當(dāng)流變應(yīng)力為GPa時(shí)，應(yīng)變硬化率也需維持在GPa），金屬才能保持穩(wěn)定的均勻拉伸變形。然而，強(qiáng)化后的合金加工硬化率通常不升反降，一般跟不上提高了的流變應(yīng)力。因此，合金極難既有GPa級(jí)屈服強(qiáng)度、又有與單質(zhì)金屬媲美的大延伸率，難以做到“魚和熊掌兼得”。

多主元合金為攻克上述科學(xué)/工程難題提供了新的機(jī)遇。多主元合金是以高構(gòu)型熵為設(shè)計(jì)理念的一類金屬，通常由3種以上的元素以接近等原子比混合組成，又稱為高熵合金（High-entropy alloys, HEAs）。高熵合金一開始時(shí)曾被認(rèn)為是各組元元素隨機(jī)占位的固溶體。最近幾年，復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)表征和模擬計(jì)算表明， HEA的高濃度組分帶來了傳統(tǒng)固溶體不具備的新特征——從亞納米到約十納米尺度上的化學(xué)不均勻性。

近日，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬恩教授和劉暢教授對(duì)高熵合金中這種非常規(guī)的化學(xué)不均勻性進(jìn)行了全面的闡述。該工作以“Chemical inhomogeneities in high-entropy alloys help mitigate the strength-ductility trade-off”為題發(fā)表在國際材料頂級(jí)綜述期刊Progress in Materials Science （IF=37.4）。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)中心(CAID) 為論文唯一單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委及國家青年人才計(jì)劃的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101252

該綜述介紹了高熵合金中幾種典型的化學(xué)不均勻性，包括化學(xué)成分起伏、局域化學(xué)序以及豐富的“界面”。不同于傳統(tǒng)澆鑄合金內(nèi)存在微米到更大尺度的偏析和不均勻，HEA在微米尺度上看是均勻混合的溶體，但在納米尺度上卻像“雞尾酒”。這種納米尺度上的化學(xué)不均勻性是濃固溶體的本征特性，且對(duì)合金的強(qiáng)塑性具有重要作用。在強(qiáng)度方面，化學(xué)不均勻性為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)制造了復(fù)雜的環(huán)境：位錯(cuò)需要穿過不同組分、不同化學(xué)有序度的納米級(jí)局部區(qū)域，因而位錯(cuò)的能量“因地而異”。由此造成的能量對(duì)空間距離的一階導(dǎo)數(shù)不為零，表示位錯(cuò)線受到額外阻力，會(huì)傾向于在低能量處停滯，導(dǎo)致其間歇式、波浪狀地向前運(yùn)動(dòng)，此種類型的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要更高的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力。這一獨(dú)特的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方式可以用納米位錯(cuò)段脫捕（nanoscale segment detrapping）機(jī)制來描述。與此同時(shí)，在加工硬化方面，顯著減緩乃至不時(shí)停滯的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)促進(jìn)位錯(cuò)的相遇、反應(yīng)、纏結(jié)和塞積。大量局部區(qū)域的低層錯(cuò)能也使得在拉伸變形過程中很容易產(chǎn)生層錯(cuò)、孿晶、相變層等，動(dòng)態(tài)細(xì)化了微觀組織。

這幾項(xiàng)缺陷的累積，可有效地阻礙后續(xù)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使材料在高流變應(yīng)力下仍保持足夠高的加工硬化率，從而抑制應(yīng)變局域化（塑性失穩(wěn)），延長均勻拉伸塑性和總延伸率。以上見解，可以解釋圖1中總結(jié)的最新數(shù)據(jù)：高熵合金帶來了許多“又強(qiáng)又塑”的新金屬材料，并正向著“既有高強(qiáng)度合金的GPa級(jí)屈服強(qiáng)度、又有可與單質(zhì)金屬媲美的大延伸率”（即圖中右上角）的方向擴(kuò)展。本綜述提出的納米尺度化學(xué)不均勻性策略，對(duì)如何解決金屬材料 “強(qiáng)度—塑性相互掣肘”這一公認(rèn)難題，提供了新的思路。

圖1 金屬合金的拉伸屈服強(qiáng)度 versus 均勻延伸率（a）和斷裂延伸率（b）：淺藍(lán)色區(qū)代表傳統(tǒng)金屬；粉紅色區(qū)域代表納米異構(gòu)金屬；黃色區(qū)中的高熵合金（不同顏色代表不同晶體結(jié)構(gòu)的HEAs）帶來了許多“又強(qiáng)又塑”的新金屬材料，并表現(xiàn)出向著圖中右上角方向鋪展的明顯趨勢。而右上角方向代表著人們長期以來追求的目標(biāo)：“既有高強(qiáng)度合金具有的GPa級(jí)屈服強(qiáng)度、又有與單質(zhì)金屬媲美的大（~50%量級(jí)）延伸率”。