厲害了！零下258℃温度下，強度2.5GPa 塑性62%的金屬材料！_風聞

材料通常容易出現低温脆性。高熵合金等複雜材料低温下由於滑移和孿生機制的共同作用而表現出特殊的力學性能。多種變形機制共存的情況下，探明各種變形機制是如何相互競爭或協同作用具有重要意義。本文研究的CrMnFeCoNi合金在15K低温時，強度~2.5GPa，塑性~62%。研究發現堆垛層錯起着橋接位錯滑移和鋸齒的關鍵作用，在低温下各種競爭機制可以協同作用，以生產高強度和高延展性的材料。

材料在極端條件下的力學行為一直是人們研究的熱點。在高温下，塑性變形是由原子擴散決定的，原子擴散會導致強度、伸長率、相變和沉澱的退化；在低温下，由於原子的遷移率減弱，限制了通過諸如位錯滑移的塑性變形，可能會發生塑性到脆性的轉變，即低温脆性。然而，在複雜材料中其他變形機制在低温下變得有競爭力，成為了變形的替代機制。高熵合金(HEA)就是一個代表性的例子。高熵合金在低温下，由於滑移和孿生機制的共同作用而表現出特殊的力學性能。塑性變形過程中，探明各種變形機制是如何相互競爭或協同作用具有重要意義。

近日，香港城市大學王循禮教授團隊利用原位中子衍射，發現在超低温時高熵合金中多種變形機制相互作用，首先是位錯滑移，然後是堆垛層錯和孿晶，最後通過鋸齒狀變形轉變為非均勻變形。相關論文以題為“Cooperative deformation in high-entropy alloys at ultralow temperatures”近期發表在Science Advances。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/13/eaax4002

高熵合金是由多種主要元素組成的一類有趣的結構材料，具有優異的強度、延性組合、斷裂韌性、耐腐蝕性和氫脆性。它們還具有良好的抗輻射損傷穩定性，因此被認為是先進反應堆應用的潛在材料。儘管化學過程很複雜，但高熵合金可通過一個非常簡單的晶格形成單相固溶體。例如，CrMnFeCoNi，也被稱為Cantor合金，具有面心立方(fcc)結構。

在室温下，五元CrMnFeCoNi和四元CrFeCoNi合金的變形主要是位錯滑移。在1000 K時，主要的變形機制是擴散控制的位錯蠕變。在液氮温度下，CrMnFeCoNi的強度和延性均有所提高。除了位錯滑移外，孿生的激活也被認為是異常延性的主要原因。除此之外其他機制也可能起作用，特別是當温度進一步降低時。在非常低的温度下，如液氦温度，觀察到鋸齒狀變形，這通常會使延性變差。同時，不同的變形機制敏感地依賴於成分和微觀結構。

在多種變形機制共存的情況下，一個關鍵問題是每種變形機制什麼階段出現，以及它們對硬化行為的影響。為此，原位觀測對於確定不同變形機制的激活以及理解它們在後續變形過程中的相互作用至關重要。特別是對於相變變形，只有在試驗温度下進行原位研究，才能觀察相變對變形的影響。

在此，研究者對三種有代表性的fcc高熵合金進行了原位中子衍射測量，分別是CrMnFeCoNi, CrFeCoNi和CrCoNi。它們均表現出一個多階段的變形過程。對實驗數據的定量分析表明，堆垛層錯起着橋接位錯滑移和鋸齒的關鍵作用。如果沒有堆垛層錯，合金就會從位錯直接滑向鋸齒狀，並且會像其他低温合金一樣，在早期失效，延性降低。而本文研究的CrMnFeCoNi合金在15K低温時，強度約2.5GPa，塑性約62%！

堆垛層錯的變形是由兩個因素造成的。第一，合金在15 K時仍處於fcc相，這與所有樣品的中子衍射數據一致。堆垛層錯能的變化很大程度上依賴於短期的化學有序，甚至可以變得依賴於局部構型。fcc相可能在低温下被動力學穩定下來。第二，堆垛層錯能足夠低，所以堆垛層錯可以在鋸齒之前立即開始一個步驟。第一性原理計算的研究表明，堆垛層錯能的温度依賴性與熵密切相關，包括構型熵、振動熵和磁熵。

圖1 CrMnFeCoNi合金在低温下的晶體結構和變形行為

圖2 變形過程中晶格應變和織構的演化

圖3 CrMnFeCoNi HEA在15 K時的變形途徑

圖4 斷裂樣品的電鏡觀察結果

圖5 fcc高熵合金的變形圖

由此可見，本文通過研究高熵合金在超低温下的變形行為，闡明瞭不同變形機制之間的相互作用和競爭關係。研究表明，複雜化學成分和簡單晶體結構的獨特組合可能是低温應用新材料設計的關鍵，在低温應用中，各種競爭機制可以協同作用，以生產高強度和高延展性的材料。（文：水生）

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