【新能源前線】Scripta Materialia：HfNbTiZr高熵合金的納米壓痕雪崩和位錯結構

一、導讀

金屬的塑性通常是由位錯運動來調節的。根據位錯線與伯格斯（Burgers）矢量的相互作用角，有兩種典型的位錯，即刃型位錯和螺型位錯。對于面心立方金屬，刃型位錯和螺型位錯遷移率相似。而對于體心立方(BCC)金屬，由于其獨特的三維核心結構和運動高度依賴于溫度，并依賴于結對的成核和膨脹，a/2<111>螺型位錯滑動遠慢于刃型位錯。一般而言，螺型位錯的滑移需要克服一個高能量勢壘，而刃型位錯則需要克服一個高能量勢壘BCC金屬。

對于BCC高熵合金(HEAs)，由多種合金元素引起的較大晶格畸變和化學濃度波動使得位錯運動不同于普通BCC金屬。清楚地認識BCC HEAs中獨特的位錯行為是理解和調整其可塑性的先決條件。近年來，人們對BCC HEAs中的位錯行為進行了研究。結果表明，HEAs的濃度波動可以固定位錯并促進BCC HEAs中位錯的交叉滑移，這被認為是其高延展性的關鍵原因。HEAs的局部成分波動對刃型位錯和螺型位錯的擴展都起著雙重固定作用。在低載荷作用下位錯遷移率較低，而在高載荷作用下，螺型位錯和刃型位錯均能快速移動。HEAs中每個低階滑移面之間的滑動阻力間隙小有利于產生多個滑移面和提高變形能力。HEAs中的濃度波有助于室溫下自發的扭結對成核，因此扭結對的成核不再是螺型位錯運動的限制因素，而扭結的膨脹和交叉扭結的失效才是限制因素。但現在仍未定論，也缺乏關鍵的實驗證據。

納米壓痕是研究金屬中位錯的形核、運動和演變的有效方法。純金屬納米壓痕的應變爆發通常發生在彈性加載結束時，其特征是位錯的形核和滑移。FeCoCrMnNi的初始塑性表明位錯的成核是多原子協同運動的結果。仔細研究了MoNbTi壓痕下的位錯結構，發現了高階滑移面的萌生和邊緣位錯的殘留。然而，由于化學成分的波動和高度的晶格畸變，BCC HEAs納米壓痕中的應變爆發被認為是不可能的。

二、成果掠影

近日，西安交通大學韓衛忠教授用高溫納米壓痕研究了難熔HfNbTiZr HEA的塑性。當負載達到某一臨界值時，會發生異常的納米壓痕雪崩。在高載荷作用下位錯滑動能力增強，產生了雪崩。此外，HEAs中螺型位錯與邊緣位錯的相對遷移率隨溫度的增加而增加，但與簡單的BCC金屬相比，它對溫度的依賴性較小。

相關研究工作以“Nanoindentation avalanches and dislocation structures in HfNbTiZr high entropy alloy”為題發表在國際頂級期刊Scripta Materialia上。

三、核心創新點

1.研究對難熔HfNbTiZr高熵合金進行了高溫納米壓痕實驗，研究了其獨特的位錯行為。當載荷達到臨界值10mn，超過合金彈性極限時，就會發生異常的納米壓縮雪崩。雪崩時試樣壓痕下的塑性區深度較深，并隨著試驗溫度的升高而繼續加深。

2.大部分混合位錯是在納米壓痕后形成的，而不是像普通難熔金屬那樣形成長螺型位錯。納米壓痕雪崩是由一組通常緩慢的位錯突然運動引起的，由于局部化學波動和較大的晶格畸變，位錯的遷移率很低。這些結果表明，體心立方高熵合金的位錯遷移率具有較弱的溫度依賴性。

四、數據概覽

圖1 ?HfNbTiZr合金的納米壓痕。(a)初始晶粒方位圖。納米壓痕是在中間的大晶粒中進行的。(b)在不同測試溫度下，使用低負荷Berkovich壓頭試件的載荷-位移曲線和壓痕形貌。(c)室溫高負荷錐形壓頭下試樣的載荷-位移曲線。? 2023 Acta Materialia Inc.

圖2 (a) 20℃處形成雪崩壓痕下方位錯結構。(b-d)三種不同衍射g矢量下區1的位錯結構。(e-g)三種不同衍射g矢量下區2的位錯結構。? 2023 Acta Materialia Inc.

圖3 (a)在300℃處形成雪崩的壓痕下位錯結構。(b-d)三種不同衍射g矢量下區1的位錯結構。(e-g)三種不同衍射g矢量下區2位錯結構。? 2023 Acta Materialia Inc.

圖4 (a) 3個試樣的塑性區深度: 20℃有雪崩，200℃無雪崩，300℃有雪崩。(b) HfNbTiZr, Fe和W中螺型位錯與邊緣位錯的相對遷移率隨溫度的變化。(c-e)基于HfNbTiZr中位錯的弓形確定螺型位錯與邊緣位錯的相對遷移率。? 2023 Acta Materialia Inc.

五、成果啟示

綜上所述，當臨界載荷達到10 mn時，HfNbTiZr HEA的納米壓痕會發生不尋常的雪崩現象，這通常源于高載荷下緩慢的位錯的快速突然運動。HfNbTiZr HEA具有較高的螺型-邊緣位錯速度比和較高的橫向滑移傾向，從而表現出優異的變形能力。

原文詳情：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223000374

本文由張熙熙供稿。