马普所等《Nature》子刊：高熵合金中位错钉扎的起源！

单相随机合金（包括高熵合金(HEA)）中的位错在滑行过程中会反复遇到钉扎作用，导致位错运动不稳定。虽然溶质-位错相互作用在传统合金中已经得到了充分地解释，但集中随机合金中单个钉扎点的起源是一个有争议的问题。

德国达姆施塔特工业大学、马普所和韩国成均馆大学等单位的研究人员研究了CoCrFeMnNi高熵合金中位错钉扎的起源。原位透射电子显微镜显示，在外载荷作下，沿着波浪状和锯齿状位错线运动，并且在肖克莱不全位错周围没有发现明显地偏析。通过原子模拟再现了急骤的位错运动，并将重复钉扎与Peierls摩擦的局部波动联系起来。 此工作以“ The origin of jerky dislocation motion in high-entropy alloys ”为题发表在期刊《 Nature Communications 》上。

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与通常由单一主元素和低浓度次要元素组成的传统合金形成对比，高熵和中熵合金（HEA和MEA）是一类新型金属材料，包含多种高浓度元素并形成固溶体。由于熵并不总是决定性的设计参数，属于集中随机合金的一个子类。一些HEA的性能优于传统合金，具有独特的力学性能组合，例如：高强度和高延展性组合——即使在低温下。洞悉HEA的高强度起源是材料设计的关键，目前关于此学术界仍存在争议。迄今为止，文献中探索了四种不同的设计思路：

• 短程有序(SRO)，即原子大小邻域中的优选有序，会导致传统合金的强度增加。这种强化机制已被报道用于CoCrNi（Cantor(CoCrFeMnNi)合金体系）。由于在该体系中观察到在同一平面上运动地位错墙，因此有人认为，在平面上滑动的第一个位错会破坏该平面内的SRO，并促进后续位错的滑动。另一方面，Yin和Curtin表明CoCrNi2的非凡强度也可以在不借助SRO的情况下基于固溶强化来解释。

  
  

• 实际上，在理想随机合金中也观察到位错钉扎和由此产生的强化。Li等人提到，即使在完全随机的CoCrNi合金中，也存在一些优先排列地原子。在Co和Cr的作用下，并且打破这些随机出现的键则需要额外的能量实现。

  
  

• 观察到的HEA堆垛层错(SF)能量范围出乎意料的宽，可以为位错地钉扎提供另一种解释。透射电子显微镜(TEM)实验和原子模拟中观察到不同HEA中的波状位错线。Li等认为SFE的广泛范围会导致能量峰值的出现，其中晶格摩擦会引起局部的增强效果。因此，位错段需要在滑动时从局部障碍中解除限制。这种机制目前只存在于HEA中，而不存在于传统的固溶体合金中（在SF能中的局部波动相对较小）。

  
  

• 最后，Varvenne等人开发的固溶强化模型。仅根据失配体积和弹性特性预测HEA中的流动应力。HEA中固溶强化的主导机制是复杂的，因为不可能同时定义不同的基体和溶质原子。在Varvenne模型中假设溶质原子和位错之间存在Labusch型弱相互作用。则，位错线在其弹性相互作用范围内同时与整个溶质场相互作用。然而，这与Fleischer的强钉扎模型相反（每个溶质则对应于位错线被钉扎的位置）。

图1 在原位TEM应变和原子模拟过程中，Cantor合金中位错线。

图2 Shockley部分位错核周围STEM EDS组成图

图3 原子Peierls势垒作为位错钉扎的描述符：CoCrFeMnNi中的位错穿过这个钉扎点形貌。

图4 不同合金中原子钉扎点强度的分布及其与位错滑移和位错迁移临界力的关系。

图5 位错遇到的能量和摩擦力示意图

在本项研究中，揭示了多主元素合金中位错钉扎点的原子起源，从而回答了材料科学和工程界一个长期存在的问题。发现HEA中的强位错钉扎不需要明显的SRO，因为GSF曲线局部斜率的增加说明了位错线的局部钉扎。这种情况与已建立的Peierls模型一致，表明HEA和特定合金容易受到异常Peierls峰高的影响。在研究的合金样品中，这些变化是高度非线性的，Co和Cr的相互作用会导致强位错钉扎点的密度最高。（文：早早）

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