西工大《IJP》：“大禹治水”理念治理位错-实现难熔多主元合金强韧化

难熔多主元合金凭借优异的耐高温性能与高强度特性，在航空航天、能源装备等高端工程领域展现出巨大应用潜力，但其室温拉伸延性普遍偏低，已成为制约其工程化应用的关键瓶颈。传统观点认为，位错的平面滑移与位错通道效应会诱发塑性应变局部化，这一现象恰似洪水在狭窄河道内溃堤，最终导致合金过早发生颈缩断裂。如何通过精准调控位错行为，在确保合金保持千兆帕级高强度的同时实现延性提升，始终是该领域的核心难题。

回溯上古时期，大禹治水时摒弃“堵截”之法、改用“疏导”策略，引洪水入江河以平九州水患，这一蕴含东方智慧的治水理念跨越千年时空，为材料科学研究提供了创新灵感。西北工业大学王锦程教授团队受此启发，创新性提出“堵疏结合”的位错工程新策略——通过在铸态难熔多主元合金(RMPEAs)中构建河流状位错通道，既以通道边界“筑坝”保障强度，又借通道内交滑移“分流”促进塑性变形均匀化，最终成功实现了合金强度与延性的协同提升。研究成果以River-like dislocation channel unleashes high tensile ductility in as-cast refractory multi-principal element alloys为题发表在International Journal of Plasticity上。论文第一作者为博士研究生崔丁聪，通讯作者为王锦程教授和何峰教授，西北工业大学为通讯单位。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104497

该团队以铸态Ti-V-Hf 体系为模型合金，通过调控晶格畸变 ( 以原子体积错配 δv 量化 ) 和化学成分起伏 ( 以 Warren-Cowley 参数表征 ) ，设计出两种难熔多主元合金 ( 图 1) ： V15 （ Ti53V15Hf32 ）： δv=5.3% ，合金内原子呈随机分布特征； V27 （ Ti41V27Hf32 ）： δv=6.1% ，存在显著化学成分起伏 ( 图 2) 。

图2难熔多主元合金V15与V27的原子分布

图3所示室温单轴拉伸测试结果表明：合金V27屈服强度高达1106±26 MPa、断裂伸长率为20.8%±1.9%，而V15仅为923±22 MPa与12.4%±1.2%；且V27的均匀延伸率(~13%)远高于V15(~2%)。进一步通过数字图像相关（DIC）技术表征的局部应变分布显示，无论是在颈缩起始阶段，还是在断裂前的临界状态，V27合金的应变均呈现出更为均匀的分布特征；而V15合金则存在应变局部化现象，这也证实了V27可通过抑制应变集中，实现更稳定的塑性变形过程。

图4通过对V15与V27合金变形行为的表征证实，位错滑移是二者共同的主导塑性变形方式。差异在于，V15合金中位错主要以平面滑移带形式分布，大量位错易在滑移带内发生塞积并受阻，难以继续运动，导致合金的应变硬化能力快速饱和，无法支撑后续塑性变形；而V27合金中则形成了河流状位错通道，位错在通道壁处无明显塞积现象，利于合金实现持续塑性变形。

图4同等应变下难熔多主元合金V15与V27的位错组态

图5所示原位同步辐射高能X射线衍射(Synchrotron HE-XRD)结果表明，两种合金在整个拉伸过程中，除体心立方(BCC)相的特征衍射峰外无其他额外衍射峰产生，未伴随相变或孪生过程，从而排除了非位错机制对塑性变形的干扰。其次，应变硬化率(SHR)曲线显示V15的SHR呈单调下降，而V27的SHR呈现“先快速下降-再稳定上升-后缓慢下降”的三阶段特征，其中第二阶段(应变6%~13%)的SHR持续上升，为合金维持高延性提供了关键支撑。通过卷积全谱拟合(CMWP)法分析XRD数据得：V15位错密度在变形初期便快速增长至6.36×10¹⁵ m⁻²并进入饱和状态；而V27位错密度则随变形持续增长，直至断裂前达到8.24×10¹⁵ m⁻²。此外，位错特征参数q演化结果显示：V15始终在整个变形过程中始终以刃型位错为主，位错运动易受平面滑移限制；而V27则从变形初期的刃型主导，逐渐转变为中后期的螺型位错主导，助力交滑移和位错通道的形成。

图5拉伸变形中V15与V27的应变硬化率、位错密度及类型的变化趋势

图6所示为“河流状位错通道”的演化历程与作用机制，随拉伸应变变化呈现出不同的位错组态：

• 3%应变：位错运动以平面滑移为主，由刃位错排列和长直螺位错逐渐构成位错壁；其中，刃位错与螺位错作用形成的弯结可沿滑移方向运动，有效维持塑性流动。

• 7%应变：前期形成的位错壁进一步演化，逐渐转变为堤坝状的通道边界，通道雏形显现。

• 10%应变：河流状位错通道正式形成。一方面，螺位错主导的交滑移行为可有效绕过通道内的障碍物，促进位错离域化，避免应变集中；另一方面，通道边界处的位错钉扎点可作为Frank-Read(F-R)源发射新位错，高效实现位错增殖。随着应变继续增大，不同滑移面上的位错通道发生交互作用，产生位错缠结，可补偿因交滑移导致的应变硬化率下降；

• 15%应变：位错缠结促使通道边界加宽，最终形成“窄通道+ 厚堤坝”的复合位错组态，该组态继续提供加工硬化效果。

图6 V27中“河流状位错通道”的演化行为

相比于合金V15中位错在平面滑移带内大量塞积(类似洪水堵塞河道)，V27通过调控晶格畸变与成分起伏构建位错分流器，一方面实现位错运动的离域化，避免应变集中；另一方面依托河流状位错通道保障位错可持续增殖，呼应了“大禹治水”中“堵疏结合”的核心理念。基于此，本文针对难熔多主元合金的“位错治理”途径可总结为：

1. 调控合金元素配比以增大原子体积错配度，激发螺位错形核；

2. 借原子团簇产生剧烈成分起伏，通过钉扎效果诱导螺位错交滑移；

3. 依托螺刃位错交互作用形成的河流状位错通道，助力位错可持续增殖，维持加工硬化能力。

最终，避免了应变局部化与过早颈缩，突破了RMPEAs的强度-延性倒置关系。原文中还明确了晶格畸变与化学成分起伏对位错组态演化及运动行为的影响机制，揭示了河流状位错通道形成的本质(请详见原文)。

西北工业大学材料微观组织计算与合金设计课题组长期深耕于材料基因工程、先进金属材料研发、增材制造控形控性、铸造熔炼工艺仿真、辐照组织模拟预测、机器学习与集成计算等领域，在金属领域顶刊Nature Communications/Acta Materialia/International Journal of Plasticity等上已发表高水平论文50余篇。课题组网站：http://www.jchwang.com

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持