金属材料是现代工业中不可缺少的结构材料, 具有高强度、高热导率、高电导率和良好的加工性能, 在能源、环保、先进制造、航空航天等领域发挥着重要作用. 为满足日益多样化的工程应用, 金属材料需要具有优异的综合性能. 作为金属材料最重要的两个力学性能, 强度和韧性往往呈倒置关系. 传统的强化方法通过阻碍位错运动或增强位错间的相互作用来提高强度, 但通常会限制位错的增殖和存储能力, 导致加工硬化能力不足, 从而降低延展性. 因此, 如何实现金属材料的强韧协同一直是固体力学和材料科学领域长期存在的关键科学问题之一.

中高熵合金是由三种或三种以上金属元素按照等原子比或近等原子比混合而成的固溶体. 不同于传统合金, 中高熵合金的多主元元素设计使其展示出了独特的结构特征, 并表现出中高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应. 因此, 中高熵合金展示了优异的力学性能, 如超高的强度、良好的延展性、突出的耐磨性、抗腐蚀性. 然而, 中高熵合金依然面临着与传统金属和合金同样的强度-韧性相互制约的挑战. 受到自然界中生物材料异质性的启发, 有学者提出了异质结构设计的概念, 并将其应用于金属材料, 得到了一种新型的结构金属材料(即异构金属/合金), 以解决强韧互斥的难题. 通过对中高熵合金的元素成分比例和加工工艺进行设计与调控, 可以在中高熵合金中引入稳定的跨尺度的异质结构, 包括原子尺度的局域化学有序、纳米尺度的析出相、亚微米尺度的第二相或晶内缺陷(如纳米孪晶、位错等)以及微米尺度的多模晶粒尺寸. 这些跨尺度的异质结构可以显著影响塑性变形机制, 在阻碍位错运动的同时提高加工硬化能力, 有助于实现中高熵合金强度与韧性的同时提升.

清华大学李晓雁教授课题组在《科学通报》发表评述文章, 对近年来中高熵合金异构设计的研究进行了综述, 同时揭示了其强韧化机理.典型的强韧化机制包括：异质结构阻碍位错运动/促进位错相互作用、孪生诱导塑性(TWIP)效应、相变诱导塑性(TRIP)效应, 以及几何必需位错的形核/塞积及其所导致的背应力. 同时, 本文深入分析了异构中高熵合金的微结构、变形机制和力学性能之间的关联. 最后, 本文展望了异构中高熵合金未来的三个可能的研究方向, 包括：调节元素配比形成特定的异构结构以实现强韧协同、探究微观结构与增材制造工艺之间的关系, 以及研究极端条件下的力学性能和变形机制.

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图1 异构中高熵合金的强韧化机理示意图. (a) 有序原子团簇和纳米析出相钉扎位错, 导致位错运动能垒提高, 产生强化, 同时位错发生交滑移促进位错增殖并增强位错间相互作用, 提高加工硬化能力, 进而使得延展性提高; (b) 晶界、相界、孪晶界和堆垛层错阻碍位错运动产生强化, 同时TRIP和TWIP效应导致其延展性提升; (c) 非均匀变形引起应变梯度, 导致几何必需位错形核和塞积,使得位错密度提高, 从而产生强化, 同时塞积的几何必需位错相互作用会产生背应力, 提高材料的加工硬化能力, 使得延展性提升

邢汉峥, 李晓雁. 中高熵合金的异构设计及其强韧化机理. 科学通报, 2024, 69(26): 3864–3886

https://doi.org/10.1360/TB-2024-0436

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