導(dǎo)讀：界面在決定雙相層狀微結(jié)構(gòu)的變形行為中起著突出的作用，特別是在層狀高熵合金（HEA）中，由于界面原子結(jié)構(gòu)的固有復(fù)雜性。在這里，我們結(jié)合了分子動(dòng)力學(xué)、分子靜力學(xué)和蒙特卡洛模擬來研究界面晶格畸變（ILD）和界面化學(xué)短程有序（ICSRO）對(duì)層狀 AlCoCuFeNi HEA 中半相干 fcc/bcc 界面的位錯(cuò)成核和剪切響應(yīng)的影響。我們的研究結(jié)果表明，ILD 在界面失配中引入了不規(guī)則性，主要是在兩相之間適應(yīng)失配并減少平均界面失配。此外，ICSRO 與單相高熵合金中的化學(xué)短程排序不同，Fe/Cu 元素對(duì) bcc 或 fcc 結(jié)構(gòu)構(gòu)型表現(xiàn)出明顯的偏好，導(dǎo)致顯著的元素分離并進(jìn)一步減少界面配準(zhǔn)。ILD 和 ICSRO 的協(xié)同效應(yīng)破壞了通常在雙金屬系統(tǒng)中觀察到的原始錯(cuò)配位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)律性，使具有大量位錯(cuò)的局部區(qū)域成為首選的位錯(cuò)成核位點(diǎn)，而不是傳統(tǒng)情況下界面處預(yù)期的周期性錯(cuò)位錯(cuò)位錯(cuò)。此外，ILD 和 ICSRO 通過隨機(jī)溶質(zhì)原子和 ICSRO 團(tuán)簇對(duì)滑動(dòng)路徑的固定作用顯著增強(qiáng)了抗剪切性。我們的結(jié)果為以原子復(fù)雜性為特征的雙相高熵合金界面的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供了深刻的見解，從而能夠通過定制其界面特性來開發(fā)具有增強(qiáng)機(jī)械性能的高熵合金。

界面在決定金屬復(fù)合材料的機(jī)械性能和變形行為方面起著至關(guān)重要的作用，尤其是那些具有雙相層狀微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。隨著長度尺度從微米尺度減少到納米尺度，界面越來越主導(dǎo)機(jī)械響應(yīng)，為位錯(cuò)成核提供來源，并通過界面滑動(dòng)促進(jìn)塑性 .半相干界面常見于共晶、外延層和沉淀材料中，已在單晶系統(tǒng)中得到廣泛研究。例如，Cu-Ag、Cu-Nb和 Mg-Nb具有半相干界面會(huì)顯著影響它們的機(jī)械性能。原子模擬和界面晶體學(xué)都表明，界面介導(dǎo)的塑性主要與界面結(jié)構(gòu)的缺陷相關(guān)，即界面位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)于消除兩個(gè)成分晶體之間的不相容性是必要的[18]。界面介導(dǎo)的力學(xué)行為，包括界面位錯(cuò)成核和界面剪切，受界面結(jié)構(gòu)的顯著影響，引起了廣泛關(guān)注。

雖然對(duì)一些傳統(tǒng)雙金屬系統(tǒng)中的界面行為存在基本理解，但高熵合金 （HEA） 的出現(xiàn)為界面工程帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。高熵合金，也稱為多主元素合金，由于其獨(dú)特的成分和有前途的機(jī)械性能而引起了材料科學(xué)界的極大關(guān)注 。通過鑄造或增材制造形成雙相層狀結(jié)構(gòu)的 HEA 系統(tǒng)因其非凡的強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用而特別受到關(guān)注。例如，在打印的 AlCoCrFeNi 中觀察由交替的 fcc 和 bcc 納米層組成的雙相納米層結(jié)構(gòu)2.1表現(xiàn)出 ∼1.3 GPa 的高屈服強(qiáng)度和 ∼14% 的高拉伸延展性的特殊組合，超過了其他最先進(jìn)的增材制造合金 。許多實(shí)驗(yàn)工作證明了界面特性的重要性及其對(duì)雙相高熵合金變形行為的影響。例如，在 Al 中的 fcc/bcc 接口的情況下xCoCrFeNi HEA 是一種整體界面強(qiáng)化應(yīng)力，估計(jì)為 ∼ 3.8–4 GPa，比傳統(tǒng)的 fcc/bcc 界面大 ∼ 4 倍 。初步推測(cè)，這種差異源于與傳統(tǒng)材料相比，多組分合金中更復(fù)雜的局部原子相互作用。

與傳統(tǒng)研究的單晶體系相比，高熵合金通常由 5 種或更多近等原子比例的元素組成。高熵合金中錯(cuò)綜復(fù)雜的原子構(gòu)型產(chǎn)生了傳統(tǒng)雙金屬系統(tǒng)中不常見的兩個(gè)關(guān)鍵現(xiàn)象，即晶格畸變 （LD） 和化學(xué)短程有序 （CSRO）。這些原子復(fù)雜性導(dǎo)致獨(dú)特的原子相互作用和排列，從而極大地影響界面失配。此外，界面處成分波動(dòng)的參與會(huì)改變界面能量。通常，高界面能對(duì)位錯(cuò)的成核和滑動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)大的屏障。雖然簡單成分合金中界面處的位錯(cuò)成核和剪切滑動(dòng)機(jī)制已被廣泛記錄，但當(dāng)界面包含 LD 和 CSRO 等原子復(fù)雜性時(shí)，這些機(jī)制無法使用現(xiàn)有的原子模型直接量化。通常，界面截面的表征是通過衍射對(duì)比或高分辨率透射電子顯微鏡成像來實(shí)現(xiàn)的。然而，這種方法不能準(zhǔn)確確定任一相的配合面的原子結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)于具有原子級(jí)組成復(fù)雜性的高熵合金。原子模擬通常是使用可靠的電位來探索界面原子結(jié)構(gòu)及其行為 。

在這項(xiàng)工作中，我們結(jié)合了分子動(dòng)力學(xué) （MD）、分子靜力學(xué)和蒙特卡洛 （MC） 模擬，從原子角度研究了雙相 AlCoCuFeNi HEA 內(nèi) fcc/bcc 半相干界面的位錯(cuò)成核和剪切滑動(dòng)。選擇 AlCoCuFeNi HEA 作為模型系統(tǒng)是基于實(shí)驗(yàn)觀察，表明通過調(diào)整含 Al HEA系列中的 Al 組成，可以穩(wěn)定 fcc 或 bcc 結(jié)構(gòu) [36]。這一特性使其成為探索HEA 中 fcc 和 bcc 相之間的半相干界面的理想選擇。值得注意的是，AlCoCuFeNi 系統(tǒng)具有精確的原子間電位，因此能夠復(fù)制實(shí)驗(yàn)研究中提到的相穩(wěn)定性。構(gòu)建了不同的仿真模型，系統(tǒng)研究了界面晶格畸變 （ILD） 和界面化學(xué)短程有序 （ICSRO） 對(duì)界面原子結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)成核和剪切滑動(dòng)的影響。這項(xiàng)工作旨在為開發(fā)具有定制界面特性的高熵合金提供有見地的方向，以提高機(jī)械性能。

有關(guān)此課題，香港理工大學(xué)的學(xué)者們進(jìn)行了深入研究相關(guān)研究報(bào)告以“Dislocation nucleation and shear sliding at dual-phase high-entropy alloy semi-coherent interface with atomic complexity”發(fā)表在Acta Materialia上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425004057?via%3Dihub

圖1.雙層模型的描述。（a） fcc/bcc 雙層的 MD 仿真模型。（b）具有 KS 方向關(guān)系的 fcc/bcc 界面的放大側(cè)向視圖，顯示失配位錯(cuò)。

圖2.界面原子構(gòu)型。（一、二）RSS 和 SRO 樣品界面平面的面內(nèi)原子結(jié)構(gòu)。（c） SRO 樣品界面處不同原子類型的空間排列。界面的原子構(gòu)型是從 bcc 一側(cè)看到的，原子通過共同鄰分析（CNA）方法著色：fcc 結(jié)構(gòu)為綠色，bcc 為藍(lán)色，hcp 為紅色，其他結(jié)構(gòu)為白色。（d）（a， b）中虛線箭頭指示的單元沿 x 方向的分布。（e） bcc 站點(diǎn)及其周圍環(huán)境的放大視圖;為清楚起見，省略了其他原子。（f）與（e）中的相同位點(diǎn)，其中 Fe 原子為黑色，所有其他原子為綠色以突出偏析。

圖3.（a） RSS 和（b） SRO 界面平面的不同元素對(duì)的 Warren-Coley 參數(shù)（WCP）。（C-D）用于比較的體單晶 fcc 和 bcc 相的 WCP。（e） SRO 界面，原子根據(jù)靜水應(yīng)力著色。（f）（e）中 SRO 界面的原子靜水應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)分布。（g）界面位錯(cuò)區(qū)附近的原子視圖，如（e）中的虛線框所示。（h）與（g）相同的位點(diǎn)，原子根據(jù)原子參數(shù)σ著色1按 NTA 方法計(jì)算。（i）與（g）相同的位置，Fe 原子與其他原子的區(qū)別在于黑色。

圖4.樣本的徑向分布函數(shù) g（r）。（一、五）A-atom、（b， f） RSS 和（c， g） SRO。（d， h）樣品的半峰全寬（FWHM） g（r）。（a， e）中的虛線表示未松弛的A 原子樣品的 g（r）。

圖5.松弛的（a） A-atom、（b） RSS 和（c） SRO 接口的 disregistry 向量圖。箭頭的長度表示向量的大小，顏色是根據(jù)向量的 x 分量的符號(hào)分配的。disregistry 向量以放大倍數(shù) 2 顯示，以獲得更好的可視化效果。（e） A-atom、（f） RSS 和（g） SRO 界面的原子結(jié)構(gòu)。原子根據(jù)原子參數(shù)σ進(jìn)行著色1通過 Nye 張量分析（NTA）方法計(jì)算。（e）中的箭頭指出了 A 原子樣品中代表性原子步驟的位置。沿 x 方向 z = 0 處 disregistry 向量的 x 分量和 z 分量分別顯示在（d）和（h）中。

圖6.（a， b） RSS 和（c， d） SRO 接口的 disregistry 向量的 x 分量和 z 分量與 A-atom 接口的差異。

圖7.（a） A-atom、RSS 和 SRO 樣本的 disregistry 向量值的箱形圖。（二、三）RSS 和 SRO 樣本中 disregistry 向量值分布的元素依賴性。

圖8.沿 x 軸拉伸作用下（a） A 原子、（b） RSS 和（c） SRO 界面處的部分位錯(cuò)成核特性。透視在 x-z 平面中移動(dòng)以獲得更好的視圖。原子根據(jù) CNA 方法進(jìn)行著色，紅色代表 fcc 中的 hcp 結(jié)構(gòu)，白色代表未知（無序）結(jié)構(gòu)，藍(lán)色代表 fcc 中的有序結(jié)構(gòu)，橙色代表 bcc 中的有序結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如

圖9.原子體積應(yīng)變分布及其應(yīng)變分量這xx對(duì)于（a， d） A-atom、（b， e） RSS 和（c， f） SRO 樣本中的接口。紫色箭頭表示界面處的位錯(cuò)成核位點(diǎn)。

（d-f）所示。

圖10.（a） RSS 和（b） SRO 樣品中原子由局部畸變參數(shù)著色的界面原子構(gòu)型。（c）RSS 和（d） SRO 界面的原子應(yīng)變分量和局部畸變參數(shù)χ的元素分辨相關(guān)性。

我們通過原子模擬系統(tǒng)研究了具有 ILD 和 ICSRO 等原子復(fù)雜性特征的 fcc/bcc 雙相 AlCoCuFeNi HEA 的界面結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)成核和半相干界面上的界面剪切。我們的主要發(fā)現(xiàn)可以總結(jié)如下：

(1)ILD 通過部分容納或加劇兩相之間的失配，在界面失配中引入不規(guī)則性。在雙相 AlCoCuFeNi HEA 中，部分調(diào)節(jié)占主導(dǎo)地位，與沒有原子復(fù)雜性的界面相比，界面處的平均失調(diào)降低。

(2)HEA 中半相干界面處的 ICSRO 與在塊狀單相 HEA 中觀察到的化學(xué)短程排序顯著不同。元素之間明顯偏愛 bcc 或 fcc 結(jié)構(gòu)配置，導(dǎo)致明顯的分離。在 AlCoCuFeNi HEA 的情況下，Fe 偏向 bcc 位點(diǎn)及其附近，而Cu 偏向相反的一側(cè)。備受推崇的 ICSRO 進(jìn)一步減少了界面配準(zhǔn)。

(3)ILD 和 ICSRO 破壞了原始misfit 位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)律性，導(dǎo)致界面 misfit 模式中斷、高度不均勻和不規(guī)則。這導(dǎo)致具有大錯(cuò)位的局部區(qū)域在張力下充當(dāng)新的位位核位點(diǎn)，而不是在典型病例中可預(yù)測(cè)的界面處周期性錯(cuò)配位位。成核位點(diǎn)的異質(zhì)分布與主要受大量脫離影響的局部應(yīng)力和應(yīng)變集中區(qū)域密切相關(guān)。

(4)與傳統(tǒng)的雙金屬系統(tǒng)相比，高熵合金中的界面原子復(fù)雜性通過隨機(jī)溶質(zhì)原子和 ICSRO團(tuán)簇在滑動(dòng)路徑上的固定效應(yīng)顯著增強(qiáng)了對(duì)界面滑動(dòng)的抵抗力。