顆粒在線訊：金屬材料的塑性變形通?；谌诲e的增殖運動、孿生、剪切或相變來協(xié)調(diào)。位錯常被視為塑性變形的基本載體，通過與其他結(jié)構(gòu)缺陷（如晶界、孿晶界、相界等）發(fā)生交互作用而強韌化材料；在大塑性變形時，則通過形成小角度位錯界演變?yōu)榇蠼蔷Ы纾瑢崿F(xiàn)細晶強化。而位錯結(jié)構(gòu)本身強化效應(yīng)有限，尤其是不全位錯主導(dǎo)的變形及強化行為鮮有報道。

　　近年來，多主組元高熵合金因其近乎無限的成分區(qū)間、獨特的化學(xué)短程有序結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能而備受關(guān)注。然而，研究發(fā)現(xiàn)長期制約傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的“強度-塑性”倒置關(guān)系在高熵合金中依然普遍存在，原因在于其塑性變形機制被認為與傳統(tǒng)金屬材料并無本質(zhì)差別。因此，迫切需要借助新穎的微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)筑來揭示高熵合金是否具有獨特變形機制，以豐富金屬材料的有效強韌化策略。

　　近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心研究員盧磊團隊與美國田納西大學(xué)、美國橡樹嶺國家實驗室、美國阿貢國家實驗室合作，關(guān)于這一科學(xué)難題取得研究重要進展。9月23日，相關(guān)研究成果以First Release形式在線發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。

　　研究人員運用一種簡單、高效的小角度往復(fù)扭轉(zhuǎn)梯度塑性變形技術(shù)，保持Al0.1CoCrFeNi高熵合金棒材樣品中原始晶粒的形貌、尺寸和取向不變，同時在晶粒內(nèi)部引入百納米尺度位錯胞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。隨距樣品表面深度增加，位錯胞尺寸逐漸增加，位錯密度隨之降低，實現(xiàn)了位錯胞結(jié)構(gòu)從樣品表面至芯部的梯度序構(gòu)分布和可控制備。拉伸結(jié)果表明，梯度位錯胞結(jié)構(gòu)顯著提高材料屈服強度，并使其保持良好的塑性和穩(wěn)定的加工硬化。梯度位錯結(jié)構(gòu)高熵合金的強塑積-屈服強度匹配優(yōu)于文獻報道中相同成分的均勻或梯度結(jié)構(gòu)材料。

　　研究利用高分辨透射電子顯微技術(shù)、同步輻射X射線、原位中子衍射等多尺度微觀結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，發(fā)現(xiàn)高熵合金中梯度位錯結(jié)構(gòu)在塑性變形過程中激活了不全位錯-層錯誘導(dǎo)塑性變形機制。變形初期，亞十納米細小層錯即從位錯胞壁萌生、滑移擴展，其密度隨拉伸應(yīng)變增加而增加，逐漸演變成超高密度三維層錯（與少量孿晶界）網(wǎng)格，直至布滿整個晶粒。超高密度細小層錯/孿晶的形成有效協(xié)調(diào)其塑性變形、細化初始位錯結(jié)構(gòu)、阻礙其他缺陷運動而貢獻強度和加工硬化。這一新的層錯強韌化機制不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的全位錯強化，與高熵合金中空間波動的低層錯能、納米尺度位錯胞結(jié)構(gòu)以及梯度序構(gòu)效應(yīng)引起的復(fù)雜應(yīng)力場密不可分。該研究剖析了高熵合金特有的變形機理，表明了簡單、易行的往復(fù)扭轉(zhuǎn)梯度塑性變形技術(shù)可廣泛用于梯度結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)筑與制備，具有重要的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用價值。

　　研究工作獲得國家自然科學(xué)基金委員會、中科院、遼寧省“興遼英才計劃”、中科院沈陽材料科學(xué)國家研究中心等的資助。

　　圖1.Al0.1CoCrFeNi高熵合金中典型梯度位錯結(jié)構(gòu)。距離樣品表面1.2 mm內(nèi)（A、B）以及芯部（G、H）的截面EBSD結(jié)果顯示晶粒（形貌、尺寸、取向）以及內(nèi)部位錯結(jié)構(gòu)在空間上的分布特征；（C）梯度位錯胞結(jié)構(gòu)示意圖；（D-E）表層晶粒內(nèi)典型位錯胞TEM結(jié)果顯示平均位錯胞尺寸為200 nm，胞壁取向差介于0.7o-4.8o；（F）對應(yīng)D圖單個晶粒內(nèi)跨過諸多位錯胞的累積取向差僅為7o。

　　圖2.梯度位錯結(jié)構(gòu)Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力學(xué)性能和變形機制。（A）拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（B）強塑積與歸一化屈服強度曲線，表明梯度位錯結(jié)構(gòu)高熵合金的綜合力學(xué)性能優(yōu)于相同成分的其他均勻結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)，也優(yōu)于文獻中其他梯度納米晶和梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬和合金；（C-D）拉伸應(yīng)變?yōu)?%時典型變形結(jié)構(gòu)的HAADF-STEM結(jié)果表明，梯度位錯結(jié)構(gòu)的塑性變形通過獨特的超高密度亞十納米層錯和少量孿晶界協(xié)調(diào)。