浙大最新 Nature：解码高熵合金既强又韧的关键“基因”(高熵合金science)

共同第一作者：丁青青、张茵、陈骁；合著者：朱婷、罗伯特里奇、钱瑜
DOI:10.1038/s41586-019-1617-1
高熵合金(HEA)是近年来合金家族中的新成员，因其独特而优越的性能而受到科学界的广泛关注。自诞生以来，一个问题一直伴随着我们：高熵合金的本质是什么？最新科学研究发现，与传统合金相比，高熵合金中元素的分布具有明显的浓度波动，对其高强度塑性起决定性作用。
相关论文《高熵合金(《高熵合金成分调控下的元素分布、微结构和性能》)中按组成调整元素分布、结构和性质》发表于2019年10月10日《自然》杂志。这是科学界首次实验分析高熵合金中元素的分布规律。学术界认为，调节浓度波将成为一种通用的方法，帮助人们高效地找到更好的合金材料。
这项研究是由于谦，浙江大学电子显微镜中心张泽院士，佐治亚理工学院朱婷，罗伯特。来自加州大学伯克利分校的里奇等。共同第一作者是浙江大学材料科学与工程学院丁青青博士。
强韧源——浓度波
人类合金制造的历史源远流长。商周青铜器是铜基铜锡合金。在铝中加入少量的镁和硅，是制造铝合金门窗的材料。大家可以看到，传统合金都是以一种主材为主，含量超过50%。然而高熵合金就不一样了。它是多种元素以近乎相等的比例混合而成，没有“主角”和“配角”。那么这是否意味着全新的性能？图：生活中常见的传统合金材料(来源：互联网)很多人都知道，包括合金在内的绝大多数材料在低温下都会脆化，即塑性显著降低甚至完全不塑性。例如，如果将一块橡胶放入液氮中，它会像玻璃一样破碎。2014年罗伯特教授。论文合著者之一Ritchie和橡树岭国家实验室的Easo George教授发现，一种由铁、锰、镍、钴和铬组成的高熵合金(CrMnFeCoNi)在液氮温度零下200附近表现出更好的塑性。这一神奇的特性震惊了学术界，并激励许多科学家寻找其天赋的“基因”。在浙江大学电子显微镜中心，丁青青试图用透射电子显微镜观察CrMnFeCoNi合金中各种元素的分布。发现高熵合金中存在一种特殊现象：其中各种元素的浓度在晶格间波动在25% ~ 15%之间。“在传统的固溶体合金体系中，由于只有一种主材料，元素分布的浓度在晶格尺度上基本是平坦的。”于谦说。这种浓度振荡意味着什么？震动可以被“放大”来研究吗？研究团队提出“浓度波”将是研究高熵合金性质的唯一突破点。因此，贝鸿宾创造性地用钯代替了CrMnFeCoNi合金中的锰。于谦解释说，CrMnFeCoNi合金的组成元素都是元素周期表上的相邻元素，它们的电负性、原子半径、原子序数等。差别不大，难以进一步区分。而“头”比较大的钯会改变元素原有的分布格局，让科学家更容易观察到分布变化。
图：CrFeCoNiPd合金中五种组成元素的分布
坚固和坚韧的基础-大的交叉滑动
在合金材料内部，原子是周期性排列的。如果在某些地方丢失或增加了几个原子，就形成了局部缺陷，科学家称之为位错。在外力作用下，金属容易在缺陷部位发生断裂，在一定的应力范围内，位错会沿一个方向滑移，使材料具有塑性变形的能力，宏观上体现为韧性。“这里有一个矛盾：高强度要求位错不容易移动，而韧性要求位错容易移动。所以大部分材料不可能同时具备强韧性，而高熵合金是一种矛盾统一的神奇存在。”于谦介绍，研究团队通过一组“拉伸”实验探索其中奥秘。在电子显微镜下，科学家们捕捉到了高熵合金中位错运动的独特方式。在较大的内应力作用下，材料内部发生位错堆积，许多位错“停滞”在某处，进一步导致高密度交滑移和二次交滑移。“错位滑行路线从原来笔直的‘公路’变成了崎岖的乡间小路。”于谦指出，正是元素分布的剧烈浓度波动造成了材料中大量的交叉滑移，位错保持连续而微小的运动，使较大的应力溶解为微小的作用力，从而赋予材料强韧的性能。“这是我们第一次在实验中观察到高熵合金的交叉滑移现象。这种现象在室温下非常罕见，高温变形时通常会发生位错交滑移。”丁青青说。事实证明，这是高熵合金强韧化的关键机制。通过试验，与CrMnFeCoNi相比，浓度波动较大的CrFeCoNiPd合金在保证相当程度塑性变形能力的情况下，强度提高了50%。于谦说，均匀分布的交叉滑移提高材料强度和韧性的现象，是继传统的不完全位错滑移、完全位错滑移、孪晶变形之后发现的一种全新的塑性变形模式。
寻找更好的材料
高熵合金是科学界寄予厚望的领域。很多极端恶劣的应用场景都在等待这种合金发挥独特的作用。然而，这个领域充满了想象，令人望而生畏。原因在于它的巨大可能性。例如，如果选取60多种商用合金中的5种常见元素进行排列组合，组合数将为1040。如果每个元素的构成稍微微调，可能性还会继续增长。摆在科学家面前的问题是：如何高效地找到优秀的材料？“我们意识到，只有了解高熵合金的本质，破解决定其性能的关键‘基因’，才能对其进行有效调控。”于谦说。在这项研究中，科学家们建立了从原子到微观结构到宏观性能的系统研究。他们建立了通过浓度波控制强度和韧性的机制，成功实现了材料韧性和性能的提高。”我们相信这种方法不仅适用于高熵合金，也适用于其他合金体系.”于谦说。
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文|周伟|课题组编辑|周伟本文转载自|浙江大学学术委员会