隨著對(duì)中、高熵合金研究的開展，它們的優(yōu)異力學(xué)性能在逐步被揭示，與之相關(guān)的材料局部原子化學(xué)環(huán)境和復(fù)雜的化學(xué)漲落所起作用也受到越來越多的關(guān)注。盡管已有充分的實(shí)驗(yàn)研究和模擬計(jì)算結(jié)果表明晶格畸變（lattice distortion）和化學(xué)短程有序（chemical short-range order）確實(shí)存在于中、高熵合金當(dāng)中且對(duì)材料性能有重要影響，兩者在材料變形的不同階段各自產(chǎn)生的作用仍缺乏系統(tǒng)的研究和解釋。

近日，美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校Irene J. Beyerlein教授課題組與華南理工大學(xué)姚小虎教授課題組開展合作，使用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)（MD）、動(dòng)態(tài)蒙特卡羅（MC）和晶體結(jié)構(gòu)缺陷分析方法，對(duì)中熵合金CoCrNi中晶格畸變（LD）和化學(xué)短程有序（CSRO）在位錯(cuò)成核與擴(kuò)展以及變形孿晶演化過程所產(chǎn)生的作用進(jìn)行研究。通過對(duì)比相同加載條件下，CoCrNi合金與假想的平均原子（Average-atom）模型在變形響應(yīng)上的差異，從原子尺度揭示了晶格畸變和化學(xué)短程序?qū)尉Ш投嗑CC中熵合金屈服強(qiáng)度與位錯(cuò)形核傾向的影響，系統(tǒng)闡述了孿晶形成和湮滅機(jī)理，討論并總結(jié)了引入層錯(cuò)和孿晶對(duì)材料塑性變形機(jī)制產(chǎn)生的作用。相關(guān)研究成果以“E?ects of lattice distortion and chemical short-range order on the mechanisms of deformation in medium entropy alloy CoCrNi”為題發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂刊《Acta Materialia》。加州大學(xué)圣芭芭拉分校博士生簡(jiǎn)武榮和華南理工大學(xué)博士生謝卓成為共同第一作者，合作作者還包括加州大學(xué)圣芭芭拉分校的Shuozhi Xu博士以及Yanqing Su博士。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.08.044

為了將晶格畸變和化學(xué)短程序的影響區(qū)分討論，研究者在構(gòu)建具有不同化學(xué)短程有序度的CoCrNi中熵合金（MEA）以外，還獲得了總體材料性能等效于隨機(jī)CoCrNi合金的平均原子模型。由于該模型由一種代表了Co、Cr、Ni三種原子平均屬性的假想原子構(gòu)成，因此不存在本征的晶格畸變和化學(xué)短程序，可作為CoCrNi合金的對(duì)照材料，有利于分別揭示晶格畸變和化學(xué)短程序的影響。低溫和常溫下的拉伸模擬結(jié)果表明，晶格畸變可以降低材料的彈性模量以及肖克雷不全位錯(cuò)（Shockley partial）成核的臨界應(yīng)變（圖1）。在所有含化學(xué)短程序的單晶CoCrNi中，不全位錯(cuò)傾向于在CoCr團(tuán)簇內(nèi)成核（圖2）。與隨機(jī)分布的CoCrNi和Ni區(qū)域相比，CoCr團(tuán)簇具有最高的剪切應(yīng)變和最低的不穩(wěn)定層錯(cuò)能（圖3）。同時(shí)，由于較嚴(yán)重的晶格畸變促進(jìn)位錯(cuò)成核，而晶格畸變和化學(xué)短程序都增加了位錯(cuò)移動(dòng)的阻力，低溫下納米孿晶在MEA中比在平均原子模型中更普遍（圖1（e）-（h））。

圖1.（a）-（d）單晶隨機(jī)CoCrNi合金和平均原子模型在1K下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（e）-（h）對(duì)應(yīng)的孿晶界密度和層錯(cuò)密度；（i）-（l）對(duì)應(yīng)的各類位錯(cuò)密度；（m）-（p）應(yīng)力-應(yīng)變曲線在B,D,F,H時(shí)刻對(duì)應(yīng)的原子構(gòu)型。

圖2.（a）-（c）分別經(jīng)過350K、950K退火處理的CoCrNi合金和原子隨機(jī)分布的CoCrNi合金在1K加載下的原子構(gòu)型（紫色原子為CoCr團(tuán)簇顯著聚集區(qū)域，紅色原子為HCP原子）。

圖3. （a）拉伸過程中CoCr團(tuán)簇的分布；（b）剪應(yīng)變場(chǎng)分布；（c）單晶Ni，CoCr和隨機(jī)CoCrNi的層錯(cuò)能曲線。

與單晶中熵合金不同，多晶中熵合金在晶界作為有效位錯(cuò)成核源的基礎(chǔ)上，通過晶格畸變和化學(xué)短程序?qū)ξ诲e(cuò)移動(dòng)的阻力，可獲得更高的拉伸強(qiáng)度（圖4）。除此以外，引入孿晶既可以為位錯(cuò)提供成核及滑移面，又能成為位錯(cuò)滑移的有效障礙，使得材料內(nèi)部形成高密度的位錯(cuò)塞積（圖5），進(jìn)一步提升材料的強(qiáng)度。

圖4.多晶CoCrNi合金和平均原子模型（a）1K下和（b）300K下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（c）材料的極限拉伸強(qiáng)度。

圖5.經(jīng)350K退火處理的（a）多晶、（b）引入層錯(cuò)和（c）引入孿晶的CoCrNi合金在加載過程中位錯(cuò)和孿晶的分布情況。

上述發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)闡明了晶格畸變和化學(xué)短程有序在FCC中熵合金變形中的重要作用，討論了這兩種因素對(duì)于位錯(cuò)以及孿晶演變過程的影響，對(duì)理解合金中復(fù)雜化學(xué)環(huán)境對(duì)材料性能的影響以及設(shè)計(jì)新型優(yōu)異多主元合金具有重要價(jià)值和意義。