高熵合金（HEA）最初是作為多個主要元素以相等或接近相等的原子比的濃縮固溶體開發的，在過去的十年中，它逐漸引起人們的關注。與單一的主要元素合金不同，它們的復雜合金組成和元素分布，以及由于原子尺寸失配（取決于相對原子尺寸）引起的晶格畸變，會對它們的晶體缺陷的活性以及機械性能產生重大影響。但是，仍然缺乏動態微觀結構演化的直接實驗證據，尤其是相變及其對力學行為的直接影響。

近日，浙江大學、韓國首爾大學、澳大利亞新南威爾士大學與美國加州大學合作的一項最新研究表明，高熵合金應變硬化是由于三維錯層錯網絡的形成而造成的，它阻礙了位錯運動并進一步為hcp的形成提供了優選的位置。通過TRIP效應進入相位，發生局部化學成分的變化加劇的現象，為高熵合金的力學行為研究提供了理論基礎。相關論文以題為“Real-time observations of TRIP-induced ultrahigh strain hardening ina dual-phase CrMnFeCoNi high-entropy alloy”于2月11日發表在Nature Communications。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-020-14641-1

研究人員根據工程應力-應變曲線，將Cr20Mn6Fe34Co34Ni6雙相高熵合金（DP-HEA）與等原子CrMnFeCoNi Cantor合金進行單軸拉伸性能和晶粒組織比較。對比發現，DP-HEA抗拉強度接近1 GPa，抗延展性接近60％，其性能大大高于Cantor合金，DP-HEA中的整體微觀結構的晶粒尺寸在3至10μm之間變化（圖1c），明顯優于Cantor合金（圖1b）。DP-HEA由fcc基質組成，其中hcp相以層狀形式生長。在DP-HEA的fcc矩陣中出現Lomer位錯鎖，能夠穩定堆垛層錯網絡，從而對位錯運動（加工硬化）產生強烈的阻礙作用，還可以促進SF底部hcp相的形核和生長。

圖1 雙相和Cantor合金的比較（紅色為奧氏體fcc相，綠色為hcp ε-馬氏體，比例尺20μm）

圖2 DP-HEA的TEM和STEM表征

圖3 薄hcp板的交叉點和堆垛層錯對位錯運動的障礙影響

研究人員對fcc奧氏體，hcp ε-馬氏體和fcc/hcp雙相支柱進行納米壓縮測試。發現三種結構支柱均相對均勻地變形，表明具有很高的塑性穩定性。雙相的極限強度最高，其次是純hcp相，最后是純fcc相，hcp相明顯強于fcc相，穩定的堆垛層錯網絡是動態相變（TRIP）效應的基礎，而動態相變是這種雙相高熵合金具有出色的塑性和應變硬化的主要來源。

圖4 三種結構原位TEM壓縮測試

雙相HEA Cr20Mn6Fe34Co34Ni6與Cantor合金相比具有較大的晶格畸變，成分上增加了Co和Fe含量，而降低了Mn和Ni含量。化學成分的這種變化不僅會造成位錯滑移的物理障礙，而且可能是調節局部堆垛層錯能量的關鍵因素。

圖5 DP-HEA中兩個堆疊斷層相交處的元素分布、映射和線形圖

綜上所述，在雙相高熵合金中，連續的原位相變是應變硬化的主要因素。與傳統的雙相合金不同，在DP-HEA中，這種轉變的動機在于建立堆疊-故障網絡，該網絡形成了fcc→?hcp轉變，并且由于與晶格摩擦有關的波動而固有地形成集中波。該研究可以為理解雙相HEA在原子尺度上的局部化學結構以及與氫的動態演化的協同效應提供良好的基礎。TRIP效應產生的微觀結構，是這種復雜的Cantor型雙相合金中結構與性能之間關系的基礎。