西安交大、中科院力學所、清華三校合力發Nature

小胖紙 2年前 (2021-04-29) 2225瀏覽

【背景介紹】

多主元素的復雜濃溶液作為高熵或中熵合金（HEAs或MEAs）被廣泛研究，通常假設這些材料具有理想溶液的高構型熵。然而，組成元素之間的焓相互作用在常溫下也會發生，從而導致不同程度的局部化學有序。在形成的局部化學有序中，化學短程有序（CSRO）可以說是最難破解的，目前，這些材料中CSRO的確鑿證據一直沒有找到。

短程有序（SROs）通常是熱誘導的無限小濃度波動，與化學對關聯直接相關，已在鎳鉻（NiCr）和鐵鉻（FeCr）合金等二元體系中廣泛觀察到。作者利用釩-鈷-鎳（V-Co-Ni）作為模型系統，因為平衡的V-Co、V-Ni和V-Co-Ni相圖顯示了在一定溫度和成分范圍內的二元和三元金屬間化合物。在室溫下，面心立方（fcc）無序固溶體的VCoNi MEA是亞穩相的，具有部分化學有序的可能性。具體而言，作者假設這種單相fcc MEA偏向形成V-Co和V-Ni鍵，同時避免形成V-V。然而，這樣的CSRO非常難直接觀察到。

【成果簡介】

今日，西安交通大學馬恩教授、中科院力學研究所武曉雷研究員和清華大學朱靜院士（通訊作者）等人報道了他們通過設計系統且細致的實驗，以避免需要數據擬合和多種可能的解釋。通過使用適當的區軸、微/納米束衍射、原子分辨率成像和透射電子顯微鏡（TEM）的化學繪圖，明確地揭示了面心立方（fcc）VCoNi濃溶液中的CSRO。其中，TEM觀察顯示VCoNi MEA中的雙相微結構，主要相是fcc溶液，體積分數約為80%。少數相僅占樣品體積的20%左右，具有長程化學有序的L1₂結構，以塊狀存在于fcc晶粒內，含有高密度的斷層。完全再結晶的fcc溶液由等軸和無位錯晶粒組成，平均尺寸為1.2 μm。根據原子探針層析成像證明，其成分為V₃₆Co₃₃Ni₃₁，由于共存的L1₂含有更多的Co和Ni，因此相對于整個VCoNi成分略有移動。這些互補表征提供了有關CSRO的程度/范圍、原子堆積結構以及化學物種優先占據相鄰晶格平面/位置的具體信息。對最近原子殼層上CSRO序參數和對關聯的模擬表明，CSRO偏向于相鄰最近的不同（V-Co和V-Ni）對，并且避免了V-V對。總之，該發現不僅提供了一種鑒別濃溶液合金中CSRO的方法，而且也使用原子應變圖來證明CSROs增強的位錯相互作用，闡明了這些CSROs對塑性機制和變形后力學性能的影響。研究成果以題目為“Direct observation of chemical short-range order in a medium-entropy alloy”發表在國際頂級期刊Nature上。

【圖文速遞】

圖一、VCoNi MEA的TEM微觀結構