導(dǎo)讀：作為塑性變形重要載體的位錯(cuò)如何在高/中熵合金形核與演化仍為難解之謎。本文發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)形核過程中伴隨著局部fcc-bcc的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，位錯(cuò)形核過程中bcc團(tuán)簇具有關(guān)鍵作用。研究結(jié)果有效解析了中高熵合金位錯(cuò)形核的起源與演化機(jī)制，為深刻理解高/中熵合金塑性變形的微觀機(jī)制及高性能合金材料設(shè)計(jì)提供線索。

新近快速涌現(xiàn)的多主元高/中熵合金顛覆了由一種或兩種金屬主元構(gòu)筑的傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念，因其具有高強(qiáng)韌塑性、抗輻照、耐沖擊等一系列優(yōu)異的力學(xué)性能，在空天、能源等領(lǐng)域顯示出廣闊應(yīng)用前景。然而，受困于多種金屬主元在拓?fù)渲芷谛跃Ц耠S機(jī)占位所引起的復(fù)雜局部原子環(huán)境和化學(xué)短程序的影響，作為塑性變形重要載體的位錯(cuò)如何在高/中熵合金形核與演化仍為難解之謎。

近期，中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室沖擊動(dòng)力學(xué)與新型材料力學(xué)性能課題組在這方面取得新進(jìn)展。該工作以Novel atomic-scale mechanism of incipient plasticity in a chemically complex CrCoNi medium-entropy alloy associated with inhomogeneity in local chemical environment 為題近日在線發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域期刊Acta Materiala 上。力學(xué)所特別研究助理曹富華是論文第一作者，研究員王云江、戴蘭宏為通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.05.042

研究人員以三元Ni-Co-Cr中熵合金體系為研究對(duì)象，首先采用分子動(dòng)力學(xué)模擬，結(jié)合過渡態(tài)理論，考察了位錯(cuò)形核過程中原子的演變情況，發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)形核過程中伴隨著局部fcc-bcc的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這類bcc缺陷原子作為位錯(cuò)形核的前驅(qū)體，促進(jìn)位錯(cuò)的形成。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這類bcc缺陷多集中為Cr原子。

為進(jìn)一步確定這一bcc誘導(dǎo)的位錯(cuò)形核機(jī)制，研究人員利用蒙特卡洛方法建立準(zhǔn)隨機(jī)原子模型，進(jìn)行第一性原理單軸拉伸計(jì)算。結(jié)果再一次表明，位錯(cuò)形核前總是伴隨著bcc原子的產(chǎn)生，且這些bcc原子以Cr元素為主，驗(yàn)證了位錯(cuò)形核過程中bcc團(tuán)簇的關(guān)鍵作用。

進(jìn)一步，通過電子結(jié)構(gòu)計(jì)算確定了位錯(cuò)形核過程中bcc缺陷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電子起源。研究發(fā)現(xiàn)，Cr元素表現(xiàn)出明顯的電子局域化行為，這一局域化行為使得Cr原子鍵的變形協(xié)調(diào)性降低，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。而且，Cr原子周圍原子密度較低，導(dǎo)致Cr原子鍵抗變形能力較低。Cr原子特殊的電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致變形過程中周圍電子結(jié)構(gòu)的坍塌，從而形成bcc結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步促使位錯(cuò)的形核。

該研究結(jié)合經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)、過渡態(tài)理論和第一性原理計(jì)算，獲得了電子-原子-缺陷團(tuán)簇-位錯(cuò)形核之間的關(guān)聯(lián)圖譜，有效解析了中高熵合金位錯(cuò)形核的起源與演化機(jī)制，為深刻理解高/中熵合金塑性變形的微觀機(jī)制及高性能合金材料設(shè)計(jì)提供線索。此項(xiàng)研究得到國家基金委重大項(xiàng)目、國家基金委基礎(chǔ)研究中心項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)等支持。

圖1 合金應(yīng)力和結(jié)構(gòu)隨著應(yīng)變的演變過程。

圖2 Ni-Co-Cr中熵合金體系單軸壓縮加載位錯(cuò)形核演變過程a1-d1 原子結(jié)構(gòu)演變，其中綠色為fcc結(jié)構(gòu)，藍(lán)色為bcc結(jié)構(gòu)，紅色為hcp結(jié)構(gòu)；a2-d2 原子中心對(duì)稱參數(shù)的演變 a3-d3 原子位移矢量圖 a4-d4 原子非仿射均方位移

圖3 （a） bcc 結(jié)構(gòu)中Cr Co Ni原子百分?jǐn)?shù)隨變形過程的變化 （b）原子間鍵長隨變形的演變 （c） 過渡態(tài)理論計(jì)算位錯(cuò)形核最低能量路徑中能量和結(jié)構(gòu)的演變（其中綠色代表fcc結(jié)構(gòu)，藍(lán)色為bcc結(jié)構(gòu)，紅色為hcp結(jié)構(gòu)）

圖4 Ni-Co-Cr中熵合金電子結(jié)構(gòu)