資助成果

在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：51671168）等的資助下，浙江大學(xué)電子顯微鏡中心余倩教授團(tuán)隊(duì)和美國(guó)喬治亞理工學(xué)院的Ting Zhu教授、加州大學(xué)伯克利分校的Robert. Ritchie教授等合作，在高熵合金本征變形機(jī)制方面取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了合金元素的濃度波調(diào)控機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)了材料力學(xué)性能的調(diào)控。相關(guān)成果以“Tuning Element Distribution, Structure and Properties by Composition in High-entropy Alloys”（高熵合金成分調(diào)控下的元素分布、微結(jié)構(gòu)和性能）為題，于2019年10月10日在Nature（《自然》）上發(fā)表。

高熵合金是合金家族近年來(lái)出現(xiàn)的新成員，通常是由多種元素以近乎等比例的配比混合而成的固溶體，因其獨(dú)特且優(yōu)越的性能受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。特別是部分高熵合金可以同時(shí)具備高強(qiáng)度和高塑性，從而打破了傳統(tǒng)金屬中強(qiáng)度與塑性難以兼得的困境。最新科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)合金相比，高熵合金內(nèi)部各元素的分布存在明顯的濃度起伏，這對(duì)它的高強(qiáng)高塑性起到了決定性的作用。因此，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)高熵合金中高強(qiáng)高塑性背后的本征原因?qū)椭覀冋业礁咝У膹?qiáng)韌化機(jī)理，有利于材料性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)和高性能合金的研發(fā)。

余倩教授及其合作者首次利用原子尺度的元素表征，發(fā)現(xiàn)了高熵合金中獨(dú)特的濃度波起伏。相比于傳統(tǒng)固溶體合金中在晶格尺度趨于平直的元素濃度波起伏，在高熵合金中，即使是CrMnFeCoNi合金也存在各種元素的濃度在晶格間25%到15%的震蕩。這樣的濃度起伏會(huì)帶來(lái)納米尺度晶格阻力的震蕩和局域?qū)渝e(cuò)能的變化。進(jìn)而，通過(guò)在保證完全固溶的前提下增加元素間電負(fù)性和原子大小的差異，制備了濃度起伏在60%到0之間的CrFeCoNiPd合金。由于濃度波的波幅大大增加，室溫下材料塑性變形方式從傳統(tǒng)的不全位錯(cuò)滑移、全位錯(cuò)滑移、孿晶變形等轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅烤鶆蚍植嫉慕换茷橹鲗?dǎo)的變形方式（如圖所示），同時(shí)材料的力學(xué)性能與CrMnFeCoNi合金相比，在保證相當(dāng)水平的塑性變形能力的情況下，強(qiáng)度顯著提高。該研究揭示了高熵合金中調(diào)控力學(xué)性能的特殊機(jī)制，與傳統(tǒng)的界面調(diào)控（包括晶界、相界、第二相界面等）以及團(tuán)簇等結(jié)構(gòu)調(diào)控相比，高熵合金中獨(dú)特的濃度波調(diào)控極為精細(xì)并具有連續(xù)性，是一種可控和高效的合金材料強(qiáng)韌化方法。

圖 a. CrFeCoNiPd合金中元素分布的EDS Mapping; b. CrFeCoNiPd合金晶格中元素濃度波起伏； c. Pair-correlation分析； d. CrFeCoNiPd合金變形方式為大量交滑移