金属材料再次登上Nature：这次不是高熵合金，而是中熵合金！

纳米人

2020-05-27

第一作者：Ruopeng Zhang

通讯作者：Andrew M. Minor

通讯单位：美国加州大学

研究亮点：

1. 对中熵合金中短程排列的结构特征进行了可视化观测。

2. 通过纳米尺度的局部有序度调整，为中、高熵合金的力学性能调节提供了新的途径。

研究背景

传统的金属合金，当其中含量少的原子在低于它们的溶解度限制时倾向于随机分布，当高于溶解度限制时会形成第二相。多元元素合金的概念最近扩展了这一观点，因为这些材料是金属元素等原子混合的单相固溶体。这类材料因其突出的力学性能而受到广泛关注。三元体系通常称为中熵合金，四元或五元体系称为高熵合金，暗示了它们的高构型熵。然而，问题是这些固溶体到底有多随机，在计算模拟中常考虑短程有序(SRO)的影响，但做不到对其进行直接地实验观测。而我们却需要详细描述有序度的程度和空间范围，以及热经历和机械行为的任何相关影响将如何影响这两者。

成果简介

有鉴于此，美国加州大学的Andrew M. Minor课题组等，利用能量过滤透射电子显微镜（TEM）观察到了CrCoNi 中熵合金中可归结为短程有序排列的结构特征。这种有序度的增加会导致更高的堆垛层错能和硬度。这些结果表明，纳米尺度的局部有序度可以通过热机械加工来调整，这为调整中、高熵合金的力学性能提供了新的途径。

 图1. 能量过滤TEM衍射图案、暗场图像等。

要点1：实验的设计

为了研究化学SRO的存在，等原子的CrCoNi合金样品在1200°C均质化后，进行了两种不同的热处理：

(1) 用水淬至室温来抑制SRO的形成；

(2) 在1000°C老化120h，之后缓慢冷却加热炉以促进SRO的形成；

为了清晰观测微观结构和SRO程度，作者使用了配备柱内Ω能量过滤器和16-bit 动态范围摄像机的蔡司TEM。

要点2：SRO的可视化

测试结果表明作者成功的提高了来自SRO衍射对比度的信噪比，直接观测到了CrCoNi 中熵合金的SRO区域。高温水淬和缓慢冷却的样品，对比度的不同可能是源于不同温度下原子的高低迁移率的差异; 这种高的迁移率使合金能够向有较低自由能态的化学SRO转化。

要点3：位错分析

高温水淬样品中位错是随机分布的；而在缓慢冷却的存在SRO的样品中，位错的局域平面构型有明显的变化趋势，位错也倾向于形成位错对，使相邻位错的间距减小。之后基于SRO原子构型的密度泛函理论(DFT)计算，确定了位错滑移现象的DAPB能量，证明了平面位错滑移起源的理论。

 图2. 高温水淬和缓慢冷却两种样品的位错分析。

要点4：力学性能分析

力学性能测试表明，缓慢冷却的样品会增强纳米压痕硬度，起始塑性。整体拉伸试验证实了SRO的强化效果，不过SRO的形成对中熵合金的整体延性影响不大。

 图3. 高温水淬和缓慢冷却两种样品的力学性能测试。

小结

作为一种新兴的结构材料，中、高熵合金在结构应用中具有良好的综合力学性能。在这里，作者直接对局部有序进行了可视化成像，并展示了中熵合金的变形行为如何与SRO的程度直接相关。由于对机械性能的影响，SRO的程度是材料设计阶段应该考虑的一个关键特征。因此，直接在原子水平上裁减SRO微观结构为控制材料的结构性能关系提供了另一条途径。

参考文献

Zhang, R., Zhao, S., Ding, J. et al. Short-range order and its impact on the CrCoNi medium-entropy alloy. Nature 581, 283–287 (2020). 

DOI: 10.1038/s41586-020-2275-z

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2275-z