高强度高熵合金和塑性梯度纳米位错结构研究取得重要进展

近日，中科院金属所沈阳国家材料科学研究中心雷璐研究员团队与国外合作伙伴在高熵合金综合性能和独特变形机制研究方面取得重要进展。相关研究成果于9月23日在《科学》杂志上以首次发布的形式在线发表。

据悉，长期制约传统金属结构材料发展的“强度-塑性”反转关系在高熵合金中普遍存在，因为其塑性变形机制往往被认为与传统金属材料有本质区别。因此，迫切需要通过新颖的微结构构建来揭示高熵合金是否具有独特的变形机制，从而丰富金属材料的有效强韧化策略。

中科院金属所研究人员通过简单高效的小角往复扭转梯度塑性变形技术，保持了Al0.1CoCrFeNi高熵合金棒材的初始晶粒尺寸，但成功地在晶粒内引入了稳定的位错胞结构，实现了位错胞结构从样品表面到核心的梯度有序分布和可控制备。拉伸结果表明，梯度位错胞结构不仅显著提高了材料的屈服强度，而且保持了良好的塑性和稳定的加工硬化。具有梯度位错结构的高熵合金的强塑性积-屈服强度匹配明显优于文献报道的相同成分的均质或梯度结构材料。此外，揭示了高熵合金层错强韧化的独特变形机制。这种堆垛层错强化完全不同于传统结构材料的全位错强化，与高熵合金中空间涨落的低位错能、纳米级位错胞结构和梯度有序效应导致的复杂应力场密切相关。

该研究表明，简单易行的往复扭转梯度塑性变形技术可广泛应用于梯度结构材料的构建和制备，具有重要的基础研究和应用价值。

Al0.1CoCrFeNi高熵合金中典型的梯度位错结构距离样品表面(A，B)和芯(G，H)65438±0.2mm范围内的截面的EBSD结果显示了晶粒(形态、尺寸、取向)和内部位错结构的空间分布特征。(c)梯度位错胞结构示意图；表面晶粒中典型位错胞的(D-E) TEM结果表明，位错胞的平均尺寸为200 nm，胞壁取向差在0.7 o -4.8 o之间；；(f)对应于D图的单个晶粒中许多位错胞的累积取向差仅为7o。

梯度位错结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力学性能及变形机制。(a)拉伸工程应力-应变曲线；(b)强塑性积和归一化屈服强度曲线表明，具有梯度位错结构的高熵合金的综合力学性能优于其他相同成分的均匀结构和梯度结构，也优于文献中其他具有梯度纳米晶和梯度纳米孪晶的金属和合金；(C-D)拉伸应变为3%的典型变形结构的HAADF-斯特姆结果表明，梯度位错结构的塑性变形是由独特的超高密度亚十纳米堆垛层错和少量孪晶界协调的。