導(dǎo)讀：刃型位錯(cuò)被認(rèn)為是BCC難熔高熵合金的主要位錯(cuò)類型，與傳統(tǒng)的BCC合金不同。BCC結(jié)構(gòu)NbTaTiV難熔高熵合金，獨(dú)特的彈性和塑性變形行為新發(fā)現(xiàn)，可能是導(dǎo)致其整體力學(xué)性能優(yōu)異的主要因素，本研究也為新型多晶材料的開發(fā)和生產(chǎn)提供了用于結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的路線。

高熵合金（HEA）為等摩爾或非等摩爾單相和多相固溶體。通過(guò)增加吉布斯自由能來(lái)最小化構(gòu)型熵導(dǎo)致形成單相或多相固溶體，例如體心立方（BCC），面心立方（FCC）和/或密排六方固溶體相代替金屬間化合物。具有不同原子半徑的多個(gè)元素的隨機(jī)分布導(dǎo)致原子間晶格發(fā)生嚴(yán)重扭曲。這些特征有助于獲得所需的機(jī)械性能，例如高硬度，強(qiáng)度，延展性以及在室溫和高溫下的抗軟化性。這些理想的機(jī)械性能與變形機(jī)制息息相關(guān)。盡管現(xiàn)階段已有部分針對(duì)高熵合金的脆塑性模擬研究，但是這些理論計(jì)算方法在彈性各向異性和延展性方面對(duì)BCC HEAs的有效性仍有爭(zhēng)議，缺乏實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這是HEA研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

來(lái)自美國(guó)田納西大學(xué)等單位的研究人員采用原位中子實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算方法探討了NbTaTiV BCC難熔HEA在室溫和高溫下的彈性和塑性變形行為，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)金屬材料相比，NbTaTiV HEA在高溫下彈性各向異性變形行為缺乏強(qiáng)烈的溫度依賴性，這是一種非典型的彈性變形行為。相關(guān)論文以題為“Temperature dependence of elastic and plastic deformation behaviorof a refractory high-entropy alloy”發(fā)表在Science Advances。

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/37/eaaz4748

研究發(fā)現(xiàn)Nb23.8Ta25.5Ti24.9V25.8合金元素分布均勻，原子百分比接近，晶粒尺寸為200-400μm，在室溫和高溫下均為單一BCC固溶體。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證單相BCC結(jié)構(gòu)在900℃時(shí)仍穩(wěn)定存在。通常，由于多晶金屬材料的彈性各向異性（包括FCC結(jié)構(gòu)的HEAs），在外加應(yīng)力下晶格應(yīng)變與晶粒取向緊密相關(guān)。

彈性各向異性變形可通過(guò)晶格應(yīng)變隨應(yīng)力變化的曲線進(jìn)行分析。塑性各向異性是由某些晶粒上的塑性變形而產(chǎn)生的，而塑性變形往往發(fā)生在某些晶粒上。曲線斜率的增大表示特定晶粒的塑性屈服，而斜率的減小則表示載荷從屈服晶粒向仍處于彈性變形區(qū)域的相鄰晶粒傳遞。在這種晶格應(yīng)變演化趨勢(shì)下，彈性區(qū)剛度最大的{110}和{211}晶粒由于滑移體系的存在，在早期就有屈服的傾向。隨后，載荷從上述晶粒幾乎定向轉(zhuǎn)移到{200}和{310}晶粒。這種載荷分配會(huì)導(dǎo)致在經(jīng)過(guò)大量塑性變形后，特定晶粒（如{200}晶粒）出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖1 NbTaTiV合金的組織、相特征和壓縮性能。

圖2 不同狀態(tài)NbTaTiV合金晶格應(yīng)變與外加應(yīng)力的關(guān)系

NbTaTiV HEA在室溫條件下，彈性變形過(guò)程中晶格應(yīng)變無(wú)方向依賴性，導(dǎo)致不同晶粒的彈性模量接近。在這種不尋常的彈性變形下，所有取向的晶粒在相同的應(yīng)力水平（約1000MPa）下屈服。此外，拉伸變形過(guò)程中載荷傳遞特征不明顯，表明塑性各向異性減小，這種趨勢(shì)可以使材料具有良好的塑性。通過(guò)計(jì)算得知，NbTaTiV HEA在室溫下幾乎完全呈現(xiàn)各向同性彈性變形。隨著溫度的升高，彈性各向同性逐漸增強(qiáng)。

圖3 第一原理計(jì)算彈性特性的方向依賴性

圖4 采用改良的Williamson-Hall圖對(duì)NbTaTiV合金在高溫下塑性變形進(jìn)行ND模式建模

總的來(lái)說(shuō)，本文用Williamson-Hall曲線定量研究了可移動(dòng)位錯(cuò)類型，并通過(guò)HAADF-STEM實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在高溫下15%的塑性變形過(guò)程中，主要的可動(dòng)位錯(cuò)被確定為刃型位錯(cuò)。嚴(yán)重畸變的晶格導(dǎo)致位錯(cuò)的形成偏離其中性位錯(cuò)面，從而導(dǎo)致塑性變形過(guò)程中刃型位錯(cuò)的遷移率大大降低。因此，刃型位錯(cuò)被認(rèn)為是BCC難熔HEA的主要位錯(cuò)類型，與傳統(tǒng)的BCC合金不同。BCC NbTaTiV難熔HEA獨(dú)特的彈性和塑性變形行為的新發(fā)現(xiàn)可能是導(dǎo)致其整體力學(xué)性能優(yōu)異的主要因素，本研究也為新型多晶材料的開發(fā)和生產(chǎn)提供了用于結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的路線。