中科院金属所，又一篇Science！

第一作者：潘庆松、张良学、冯瑞

通讯作者：卢磊

通讯单位：中科院金属所

研究亮点：

1. 发展一种简单、高效的小角度往复扭转梯度塑性变形技术，可以在高熵合金中可控地引入了新型梯度纳米位错胞结构。

2. 发现梯度位错胞结构显著提高了材料屈服强度，同时还能保持良好的塑性和稳定的加工硬化。

2. 提出一种不同于传统结构材料全位错强化的新型层错强韧化机制，揭示了高熵合金材料的变形机理。

受自然界中骨骼、贝壳以及树木中天然存在的梯度结构的启发，梯度纳米结构越来越多地被引入到工程材料中，以实现强度、硬度等力学性能的提升。

早在2017年，中科院金属所卢磊课题组和高华健课题组合作，在Nature报道了一种与疲劳历史无关的、具有循环稳定响应的高度取向纳米孪晶结构铜材料。2018年，卢磊课题组和高华健课题组再次合作，通过电化学方法引入梯度纳米孪晶，在金属铜中成功构建了结构梯度，实现了强度和硬度的同时增强。

https://www.nature.com/articles/nature24266/

http://science.sciencemag.org/content/362/6414/eaau1925

现在，卢磊课题组，又把研究目光投向了高熵合金。

为什么选择高熵合金呢？

高熵合金（HEA）具有近乎无限的成分区间、独特的化学短程有序结构，赋予其丰富的力学性能。通过调整化学组分，某些单相HEA产生了固有的浓度不均匀性，从而有优异的强度、延展性、高加工硬化能力和耐损伤能力。此外，通过设计分级晶粒尺寸、纳米团簇、多相等组成的空间异质微结构，也可以使 HEA 获得可媲美传统异质结构金属材料的优异性能。

然而，对于大多数 HEA 而言，长期制约传统金属结构材料发展的“强度-塑性”倒置关系在高熵合金中依然普遍存在。迄今为止所报道的 HEA 的基本塑性变形特征和机制与传统金属极其相似，其塑性变形机制往往被认为与传统金属材料并无本质差别。

有鉴于此，中科院金属所卢磊研究员课题组报道了一种简单、高效的小角度往复扭转梯度塑性变形技术，在具有稳定性质的单相面心立方 HEA（Al0.1CoCrFeNi）中可控地引入了新型梯度纳米位错胞结构，梯度位错胞结构显著提高了材料屈服强度，同时还能保持良好的塑性和稳定的加工硬化。

图1. 梯度位错结构的典型微观结构和结构梯度

之所以选择Al0.1CoCrFeNi高熵合金纳米棒材料，是因为这种合金是一种经过充分研究的模型材料，局部变化的 SFE为6-21 mJ/m2。在拉伸应变实验中，研究人员意外发现了极高密度的微小堆垛层错 (SF)、孪晶形核和堆积主导的塑性变形。研究人员认为，单相面心立方 (fcc) Al0.1CoCrFeNi HEA 中存在异质梯度位错单元结构 (GDS)，其中包含平均尺寸约为 46 μm 的随机取向的等轴细晶粒 (FG)。

图2. GDS Al0.1CoCrFeNi HEA的力学性能

研究人员认为，梯度位错结构在塑性变形过程中激活了不全位错--层错诱导塑性变形机制。变形初期，亚十纳米细小层错即从位错胞壁萌生、滑移扩展，其密度随拉伸应变增加而增加，逐渐演变成超高密度三维层错（和少量孪晶界）网格，直至布满整个晶粒。超高密度细小层错/孪晶的形成有效协调其塑性变形、细化初始位错结构、阻碍其它缺陷运动而贡献强度和加工硬化。 【本段内容来源：中科院金属所】

图3. 拉伸应力3%时，GDSAl0.1CoCrFeNi HEA的变形结构

图4. 拉伸应力40%时，GDSAl0.1CoCrFeNi HEA的变形特征

这项研究发展了一种简单、易行的往复扭转梯度塑性变形技术，提出了一种不同于传统结构材料全位错强化的新型层错强韧化机制，对于高熵合金的基础研究和应用研究都起到了重要推动作用。

参考文献：

QingsongPan et al. Gradient-cell–structured high-entropy alloy with exceptionalstrength and ductility. Science 2021.

DOI:10.1126/science.abj8114

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8114

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