導讀：刃型位錯被認為是BCC難熔高熵合金的主要位錯類型，與傳統的BCC合金不同。BCC結構NbTaTiV難熔高熵合金，獨特的彈性和塑性變形行為新發現，可能是導致其整體力學性能優異的主要因素，本研究也為新型多晶材料的開發和生產提供了用于結構材料應用的路線。

高熵合金（HEA）為等摩爾或非等摩爾單相和多相固溶體。通過增加吉布斯自由能來最小化構型熵導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元素的隨機分布導致原子間晶格發生嚴重扭曲。這些特征有助于獲得所需的機械性能，例如高硬度，強度，延展性以及在室溫和高溫下的抗軟化性。這些理想的機械性能與變形機制息息相關。盡管現階段已有部分針對高熵合金的脆塑性模擬研究，但是這些理論計算方法在彈性各向異性和延展性方面對BCC HEAs的有效性仍有爭議，缺乏實驗證實，這是HEA研究的關鍵問題之一。

來自美國田納西大學等單位的研究人員采用原位中子實驗和理論計算方法探討了NbTaTiV BCC難熔HEA在室溫和高溫下的彈性和塑性變形行為，發現與傳統金屬材料相比，NbTaTiV HEA在高溫下彈性各向異性變形行為缺乏強烈的溫度依賴性，這是一種非典型的彈性變形行為。相關論文以題為“Temperature dependence of elastic and plastic deformation behaviorof a refractory high-entropy alloy”發表在Science Advances。

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

研究發現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。經實驗驗證單相BCC結構在900℃時仍穩定存在。通常，由于多晶金屬材料的彈性各向異性（包括FCC結構的HEAs），在外加應力下晶格應變與晶粒取向緊密相關。

彈性各向異性變形可通過晶格應變隨應力變化的曲線進行分析。塑性各向異性是由某些晶粒上的塑性變形而產生的，而塑性變形往往發生在某些晶粒上。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域的相鄰晶粒傳遞。在這種晶格應變演化趨勢下，彈性區剛度最大的{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移到{200}和{310}晶粒。這種載荷分配會導致在經過大量塑性變形后，特定晶粒（如{200}晶粒）出現應力集中。

圖1 NbTaTiV合金的組織、相特征和壓縮性能。

圖2 不同狀態NbTaTiV合金晶格應變與外加應力的關系

NbTaTiV HEA在室溫條件下，彈性變形過程中晶格應變無方向依賴性，導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力水平（約1000MPa）下屈服。此外，拉伸變形過程中載荷傳遞特征不明顯，表明塑性各向異性減小，這種趨勢可以使材料具有良好的塑性。通過計算得知，NbTaTiV HEA在室溫下幾乎完全呈現各向同性彈性變形。隨著溫度的升高，彈性各向同性逐漸增強。

圖3 第一原理計算彈性特性的方向依賴性

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

總的來說，本文用Williamson-Hall曲線定量研究了可移動位錯類型，并通過HAADF-STEM實驗驗證。在高溫下15%的塑性變形過程中，主要的可動位錯被確定為刃型位錯。嚴重畸變的晶格導致位錯的形成偏離其中性位錯面，從而導致塑性變形過程中刃型位錯的遷移率大大降低。因此，刃型位錯被認為是BCC難熔HEA的主要位錯類型，與傳統的BCC合金不同。BCC NbTaTiV難熔HEA獨特的彈性和塑性變形行為的新發現可能是導致其整體力學性能優異的主要因素，本研究也為新型多晶材料的開發和生產提供了用于結構材料應用的路線。