悉尼大學廖曉舟教授，佐治亞理工學院朱廷教授Science Advances: 透射電鏡原位觀測塑性變形導致的高熵合金非晶化過程

引言

高熵合金是由多種元素以原子比在約5%到35%間組成的固溶體合金。許多高熵合金展現了優異的力學性能。例如CrMnFeCoNi 高熵合金（Cantor合金）在室溫和低溫下均具有高強度，高延展性以及良好的斷裂韌性。優異的力學性能使得高熵合金具有巨大的應用前景。眾所周知，材料的力學性質取決于材料的變形機制。因此，揭示并理解高熵合金優異力學性能背后的微觀變形機理，將為未來設計具有優異力學性能的材料打下堅實的基礎。

Cantor合金通常具有簡單的面心立方結構。過去的一些報道中發現了在低溫或劇烈變形過程中，Cantor合金會發生由面心立方向密排六方的相轉變。同時在該合金中也報道了晶體向非晶體的轉變。然而，迄今為止，這類相變的誘因與機理仍未被研究透徹。揭示此類固態非晶化的微觀結構演化機理，將為揭開高熵合金優異力學性能背后的秘密，并且為進一步提升合金的力學性能提供有力的理論依據。

成果簡介

近日，悉尼大學廖曉舟教授（共同通訊作者），安祥海博士（共同通訊作者），王昊（共同第一作者），佐治亞理工學院朱廷教授（共同通訊作者），陳登科博士（共同第一作者，現工作單位：現任上海交通大學力學系副教授），張寅及其他團隊成員利用原位拉伸透射電鏡實驗與分子動力學模擬發現并解釋了在超細晶CrMnFeCoNi?高熵合金拉伸變形過程中導致的固態非晶化。研究發現在非晶化的過程中，隨著非晶相體積分數的增加，材料的顯微結構逐漸由單一的晶體結構向片層狀、點狀晶體以及非晶體的混合結構演化，并最終轉化成完全的非晶結構。這種固態非晶化來源于高熵合金內在高強度的晶格阻力與超細晶結構中晶界結構，對于裂紋尖端位錯滑移的阻礙。導致裂紋尖端處高密度的位錯堆積，從而提升局部的應力和應變能，最終觸發了晶體向非晶體的轉變。同時，在裂紋尾端觀測到了非晶態納米橋的形成。這些非晶化過程釋放了大量應變能，從而為高熵合金提供了一種全新而有效的增韌機制。該研究成果以“Deformation-induced crystalline-to-amorphous phase transformation in a CrMnFeCoNi high-entropy alloy” 為題刊登在2021年3月31日出版的Science Advances上。

文獻鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/14/eabe3105

圖文導讀

圖1：超細晶高熵合金裂紋前端的微觀結構

A)透射電鏡明場像。在裂紋尖端附近觀測到了三種微觀結構，即非晶結構，非晶與晶相共存的點狀結構和層狀結構。插圖是非晶結構的衍射花樣。

B &?C)?高分辨透射電鏡照片分別展示了點狀結構與層狀結構的微觀組織細節。

D) 原位拉伸實驗中裂紋尖端附近的結構演化，在白色箭頭處觀測到了高密度的位錯。

圖2：對層狀結構的分析

A) 高分辨下層狀結構的形貌，觀測到了四條晶體條帶。插圖為晶體條帶1的傅里葉變換圖。

B &?C) 對于不同的?{111}滑移面進行的位錯分析，位錯位置由⊥符號標記。

圖3：原位拉伸實驗中點狀晶體結構向非晶結構的轉變

A- D) 隨著應變的增大，裂紋尖端前點狀結構中晶體結構逐漸非晶化。

圖4：裂紋后端非晶態納米橋的形成

A &?B) 非晶態納米橋。裂紋尖端附近有高密度的位錯。

C) 高分辨下非晶態納米橋。

D) 非晶態納米橋的傅里葉變化圖案，非晶環的不均勻強度表明了在非晶結構中仍保留了部分的有序結構。

圖5：分子動力學模擬裂紋尖端非晶化的過程

A - F) 分子動力學模擬過程中的結構演化。

G &?H) 圖B黑色方框的細節圖，在裂紋尖端附近存在著大量不同種類的位錯。

I) 圖C藍色方框的細節圖，裂紋前端納米空洞的形核。

J) 圖F紫色方框的細節圖，展示了裂紋擴展中非晶態納米橋的形成。

該項工作的合作者還包括悉尼大學Simon Ringer教授，劉晉僑，王安國，中南大學宋旼教授，東北大學田艷中教授以及中國科學院金屬研究所張哲峰教授，孫士杰。

本文由作者投稿。