一、負混【科學背景】
難熔多組元合金（MPEAs）由多個高熔點的合焓合金元素組成，因此具有高熵特性。新概現(xiàn)高性相較于傳統(tǒng)的念問牛稀溶合金，這種多元合金設計為制備新型材料提供更靈活的世實成分設計空間，所以現(xiàn)在該材料被認為最具潛力的強度新型工程結構材料。然而，高韌體心立方難溶多元合金在高溫或室溫下雖然能夠實現(xiàn)較高的完美屈服強度，但其較差的平衡室溫拉伸塑性限制了其實際應用。眾所周知，材料金屬材料的負混強度與韌性之間的權衡是一個普遍存在的問題，特別是合焓合金在難熔MPEAs中。由于缺乏有效的新概現(xiàn)高性位錯相互作用機制，這些合金通常在達到高屈服強度的念問牛同時失去了高韌性。為了解決這一重大基礎性科學問題，世實北京工業(yè)大學材料科學與工程學院韓曉東教授團設計了一種HfNbTiVAl10合金（HNTVA10），通過在傳統(tǒng)多元合金添加Al形成負混合焓固溶體（研究者提出的新概念），成功地在室溫下實現(xiàn)了卓越的高韌性（約20%）和超高的屈服強度（約1,390 MPa）。這種合金的突出性能主要得益于添加的Al，在微結構中形成了一種層次化的化學波動結構，從亞微米到原子尺度，創(chuàng)造了大量擴散界面，有效地阻礙了位錯運動。這種結構推動了多樣的位錯構型，使合金能夠容納塑性變形，從而實現(xiàn)了韌性和強度的協(xié)同提升。該工作也因此以“Negative mixing enthalpy solid solutions? deliver high strength and ductility”為題登上了材料Nature頂刊，引起了不少科學家的關注。
二、【科學貢獻】
科學家通過設計和制備一種新型多組元合金（MPEAs），即HfNbTiVAl10合金（HNTVA10），成功克服了傳統(tǒng)體心立方難熔MPEAs在強度和韌性之間的平衡問題，實現(xiàn)了卓越的性能組合。具體來說，研究者首次通過向HfNbTiV合金中添加Al元素，形成負混合焓固溶體，成功合成了HNTVA10合金。這一合金的制備方法為研究提供了新穎的設計思路，通過調整合金組分，實現(xiàn)了高強度和高韌性的協(xié)同提升。
圖1. HNTVA10合金的拉伸應變-應變曲線與其他高性能體心立方（bcc）多組元合金（MPEAs）的比較。
圖2所示，HNTVA10合金在室溫下展現(xiàn)了卓越的性能，具有顯著的高韌性（約20%）、超高的屈服強度（約1,390 ?MPa）。這極佳的強度-韌性協(xié)同效應組合在體心立方多組元MPEAs中是首次實現(xiàn)的，為新型高性能合金的開發(fā)提供了重要的參考。
圖2. HNTVA10合金中的多尺度的化學成分波動結構和多層異質結構。
接著，通過高角度暗場（HAADF）圖像和掃描透射電子顯微鏡（STEM）的研究（見圖2），科學家揭示了HNTVA10合金的微觀結構。合金中存在多尺度化學成分波動結構（L-CFs）和微小的納米團簇（M-CFs），以此形成層次化的結構。這種結構創(chuàng)造了大量擴散界面，有效地阻礙了位錯運動，從而促進了塑性變形。通過選區(qū)電子衍射（SAED）和X射線衍射（XRD）的分析，研究者驗證了矩陣和L-CFs的體心立方結構。Al的均勻分布促進位錯以多系滑移和交叉滑移的方式運動和累積（圖4），從而使應變硬化率在大應變范圍內仍然具有較高水準。
此外，作者通過采用多種實驗手段，如繪制合金應變硬化率（θ）與真應變（%）的關系、X射線衍射（XRD）等，對HNTVA10合金的微觀結構和性能進行詳盡的定量分析和驗證。具體現(xiàn)象來說（圖3），在早期的塑性區(qū)域，θ迅速下降到約0.85，然后在第二階段（4-7%）和第三階段（7-14%）發(fā)生兩次異常的θ上升，使θ再次上升，并持續(xù)到真應變約18%。這種異常的θ是其他體心立方難熔多組元合金中不常見。鑒于此，研究者進行了原位同步輻射X射線衍射實驗，以量化位錯密度的演變。圖3顯示，高密度的位錯積累大大有助于在簡單張拉變形中維持有效的應變硬化，進一步驗證了合金的高應變硬化性能。
圖3. 拉伸過程中的歸一化應變硬化率和位錯密度。
最后，為了驗證圖3a中這兩個異常的θ上升現(xiàn)象，研究者從位錯的角度進行了透射電子顯微鏡（TEM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）分析，揭示了HNTVA10合金在變形過程中的位錯密度演變和應變硬化機制。
首先，研究者關注HCFs與運動位錯相互作用對第一次θ上升的貢獻。L-CFs使位錯的運動變得遲緩，導致位錯堵塞，促進位錯相互作用，從而導致加工硬化。進一步變形后（5%），彈性應變增加。由于邊緣段插入了額外的半平面原子，產生了典型的位錯釘扎引起的應變場，即在滑移面之上的拉伸應變。這種M-CFs-位錯耦合增加了M-CFs周圍的局部應變，這主要有兩個好處：一方面，增加的局部應變在滑移系區(qū)域產生了額外的位錯釘扎，有助于應變硬化（第二階段的第一個θ上升）。其次，這種位錯釘扎效應促進了位錯很難跨越位錯強，從而增加了位錯纏結的機會，提供了材料連續(xù)的塑性變形。
接下來，作者分析了第二次θ上升的基本機制。研究認為，第一次θ上升導致真應力增加了100 MPa（圖1a）。除了首選的滑移系{ 101}<111>外，塑料變形有助于在第二階段末端（7%，圖4e）激活第二個滑移系統(tǒng)（112）[111]。因此，在多元合金內部形成了不同方向的滑移帶，允許不同滑移面上的位錯相互作用。這些相互作用有效地阻礙位錯運動，從而補償了由于位錯運動引起的應變硬化能力下降，因此位錯強化機制解釋了這一獨特的應變硬化行為。
圖4. HNTVA10合金的變形機制。
三、【創(chuàng)新點】
? 本文創(chuàng)新性地設計并制備了HNTVA10新型高熵合金，通過引入負混合焓“固溶體負混合焓固溶體”（簡稱負焓固溶體）的新概念，基于該設計概念，作者在HfNbTiV合金中添加Al元素，促使多級納米異質結構在合金內形成，從而制備出兼具高強度與大塑形的負混合焓多主元合金。
四、【科學啟迪】
? 本文為材料領域的碩博生提供了深刻的科學啟迪，告知我們如果要系統(tǒng)設計并制備新型材料，就需要知道材料成分、結構與性能之間的關系。此外，要關注材料科學領域在國家重大工程、航空航天、海洋工程等戰(zhàn)略性領域的科研最新方向并知道其扮演的重要角色。其次，思考本文中的揭示的多級異質結構與位錯相互作用的機制，為開發(fā)新一代高性能材料的設計和合成做好思路參考。這些深入研究可以激發(fā)研究生思索是否從微結構設計出發(fā)，對新材料的制備能否提供更好的思路和見解，還要鼓勵自己在面對實際挑戰(zhàn)時要通過創(chuàng)新性的思考和實驗設計，最終推動國家材料科學領域的創(chuàng)新發(fā)展。
原文詳情：
An, Z., Li, A., Mao, S. et al. Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06894-9.
