湖南大學重磅PNAS：大變形晶體材料的非均勻晶格應變強化新機制

1. 導讀

長期以來，同時提高合金的強塑性一直是傳統合金領域的永恒追求。在過去十年，多組元高熵合金被成功開發出來。高熵合金是一種簡單的固溶結晶結構，但化學無序程度很高。高熵合金的良好力學性能源于一種不尋常的位錯晶格相互作用，這與多種具有不同原子尺寸、鍵合變化和晶體結構差異的主元素隨機混合造成的非均勻晶格應變效應有關。然而，這種非均勻晶格應變場對位錯三維動態強化機制的影響尚不明確，容易被位錯在短時間內、大尺度上的大規模運動所掩蓋。離散位錯動力學(DDD)模擬可以研究合金中位錯在介觀尺度下的動態演化。利用DDD模擬研究高熵合金的動態應變硬化，必須考慮非均勻晶格應變場的存在。目前還沒有人建立能夠正式研究位錯運動/增殖/相互作用、位錯塑性和在微觀或細觀尺度上的應變硬化的三維晶格畸變模型。本文則首次研究和表征了FeCoCrNiMn高熵合金的晶格應變場對位錯運動的影響機制。

2. 成果掠影

近日，湖南大學機械學院機械與運載工程學院教授方棋洪課題組聯合香港城市大學教授楊勇團隊提出了一種三維離散位錯動力學模擬方法，該方法考慮了FeCoCrNiMn高熵合金晶格應變場實驗測量結果并基于此建立了相關模型，以探索非均質應變誘導的強化機制。研究結果表明，非均質晶格應變會導致異常的位錯行為(即多重扭結/滑動和雙向交叉滑移)，從而形成支撐強度-塑性協同的強化機制。非均質應變場可以通過新的非均質應變誘導強化機制提高多主元合金的力學性能，導致嚴重變形的成分復雜晶體的強度-延性協同。本工作為設計強而有韌性的變形晶體固體(如高熵合金和高熵陶瓷)提供了重要的新策略。相關成果以“Heterogeneous lattice strain strengthening in severely distorted crystalline solids”為題發表在國際頂級期刊《PNAS》上.

論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2200607119

值得注意的是，本篇論文的審稿人對這篇文章給出了高度評價，“該研究對理解高熵合金獨特的位錯行為和強化機制是極其重要的進展”。此次，材料人網特別邀請到了湖南大學方棋洪課題組來進行專訪，旨在為讀者揭示這篇成果背后的秘密，一起來看！

老師您好，請問建立晶格應變場對位錯運動的影響模型需要考慮的主要因素是什么呢？
答：需要考慮模型的準確性，晶格應變場模型主要由的控制大小的應變幅值和控制形貌的分形維度所決定的，因此需要將模型獲得的晶格應變場與實驗獲得的晶格應變場反復對照，最終確定應變幅值以及分形維度。
能給大家普及一下離散位錯動力學(DDD)模擬的優勢嗎？
由于材料塑性變形本質上的多尺度特征，對傳統的連續體理論和計算方法提出了挑戰，發展基于位錯機制替代經驗基的晶體塑性理論，成為計算材料科學的一個長期目標。離散位錯動力學方法的長度/時間尺度在微米/微秒的量級上，是一個連接原子尺度和宏觀尺度的橋梁，可以在連續時間內獲得位錯運動特征，捕獲大規模的位錯動態演化，以探究材料晶體塑性的物理機制。
原子尺度的應變圖可以用實驗表征得到嗎？
采用高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)以及球差校正掃描透射電子顯微鏡(STEM)都可以獲得原子尺度的應變圖。
本次成果對于投入產業化的應用有什么指示，未來您和您的團隊會把工作重心放在什么方向？
將耦合了晶格應變場的位錯動力學與微米柱壓縮和納米壓痕實驗相結合，揭示晶格扭曲的多主元合金材料的亞微米尺度的塑性機制，實現力學性能精確預測，發掘具有優異性能的多主元合金材料。理論指導的工藝窗口優化，可以有效降低傳統試錯方法的時間和成本，提高企業研發效率。開發具有完全自主知識產權的軟件輔助實驗觀察、材料制備及性能預測等。

3. 核心創新點

(1) 建立一種三維離散位錯動力學模擬方法,用于研究位錯運動/增殖/相互作用、位錯塑性在微觀或細觀尺度上的應變硬化;

(2) 提出“非均勻晶格應變”強化新機制;

4. 數據概覽

圖1 未變形Cantor合金中非均勻晶格應變場的實驗表征與特性分析. A. [011]軸的高角度環形暗場掃描透射電鏡圖像. B. A中(111)平面濾波后的FFT圖像. C. 實驗得到的均方根殘余應變與掃描尺寸的相關性. （D和E）由實驗和分形函數得到的殘余應變沿[111]方向的等值線圖. F由實驗得到的應變的統計分布和分形函數.

圖2 Cantor合金微柱壓縮的組織和力學性能表征. A. EBSD IPF圖，微柱壓縮試驗方向為[100]的晶粒；B. 微柱沿[100]方向壓縮的應力-應變曲線。微柱的直徑均為2mm；C. 掃描電鏡圖像顯示了變形微柱的形態；D. 在變形微柱中，TEM明場圖像顯示了滑移帶；E. [011]區軸變形試樣的高分辨TEM圖像；F. E圖(111)平面濾波后的FFT圖像；G. 對應的原子尺度應變圖.

圖3 FeCoCrNiMn高熵合金的應力-應變曲線和位錯構型/演化；A. DDD模擬圖；B. 塊狀FeCoCrNiMn高熵合金的應力與應變關系；C. 位錯密度隨應變增大而增大。 “無晶格畸變”表示純金屬，與Cantor合金具有相同的彈性常數和泊松比，五角星表示屈服點；(D和E). 在應變為0.39和0.57%時，微柱中的位錯構型；(G和H)在臨界剪應力作用下，不同長度的FR源在無晶格畸變和有晶格畸變時的位錯構型; i. 剪切應力場作用下FR源的位錯形態; (G-I)，粉色、紅色、藍色和綠色的線表示源長度為1,000、1,500、2,000和4,000 b的FR源。這里，b是Burgers向量的大小.

圖4 位錯運動的表征. (A)和(B)在應力峰值處形成螺/刃型位錯扭結；(C)相應的位錯線長度和能量隨應變劇烈波動；（D）（111）面上的位錯運動；(E-H)交叉滑移和雙交叉滑移過程；（I）雙交叉早期滑移過程中在（111）面上形成兩個螺型位錯；（J）雙交叉早期滑移過程中在（111）面上形成的兩個螺型位錯；(K)由于有多個雙交叉滑移，許多滑動出現在位錯上.

5. 成果啟示

通過實驗與計算模擬相結合，研究高熵合金中非均勻晶格應變誘導的強化機制，揭示了強度-塑性協同效應控制機制，對理解高熵合金獨特的位錯行為和強化機制是極其重要的進展。