Nature子刊：CrCoNi中熵合金的3D孿晶網絡結構產生的強度-塑性-韌性組合優異性能及其位錯機制

【引言】
在結構材料中，強度和塑韌性都是非常重要的性能指標，且都與晶粒內部缺陷及其位錯運動有關。然而對于金屬材料，通常情況下，其強度和塑韌性是很難兼而有之的。這是因為材料的塑性一般是依賴于晶粒內的位錯的有效運動，然而其運動易與其他位錯及缺陷如溶質原子，晶界，層錯等的交互作用影響，當這種交互作用較強時，易成為位錯運動的阻礙，從而降低其塑性而表現出較強的強度，當交互作用較弱時則相反。然而，本文發現的CrCoNi中熵合金的3D分層孿晶網絡結構可以很好的解決這一問題，在保證獲得高強度的同時，也擁有優良的塑性和韌性。

【成果簡介】
近日，由來自浙江大學材料科學與工程系的余倩教授、浙江大學及美國匹茲堡大學的Scott X. Mao教授以及加州伯克利分校的Robert O. Ritchie教授（共同通訊作者）在Nature Communications發表了一篇名為“Dislocation mechanisms and 3D twin architectures generate exceptional strength-ductility-toughness combination in CrCoNi medium-entropy alloy”的文章。在該文中，該課題組通過對三孿生系統結構的CrCoNi中熵合金進行變形激活，獲得了一種3D分層孿晶網絡結構，可獲得優異的強度-塑性-韌性組合性能，突破了強度和塑韌性難以調和的內在矛盾，并分析得到了其內在的作用機制。

【圖文導讀】

圖1.CrCoNi合金的層錯及其第一性原理計算能量值

（a-d）分別顯示的是原始體心立方結構（fcc），內在堆垛層錯，兩層外在層錯和三層孿晶的原子結構示意圖。

（e）圖e顯示的是緊密堆疊的(111)面俯視圖。

（f）圖f顯示的是圖e中沿<112>位移路徑方向的能量勢壘，其引起了兩種類型的層錯以及一種晶界。路徑的最小位移值由肖克利部分位錯的伯格矢量bs表示為1/6<112>。在這的γ_isf和γ_es分別表示為圖b中內在堆垛層錯能的和圖c中外在堆垛層錯能。γus表示為不穩定的堆垛層錯能，γut則表示著初始孿晶界形成勢壘。當克服γ_ut勢壘后，則隨后所需產生多層孿晶的能量（如γ_ut^，）則比γ_ut更小。這些沿位移路徑方向的勢壘值是通過第一性原理NEB方法計算獲得的。【注：<112>中的2表示-2，通常應寫成如圖e、f中所示形式，因特殊原因無法表示上劃線，故加粗以表示該為負】

表1.CrCoNi中熵合金通過第一性原理計算得到的各種層錯能值

?通過第一性原理計算得到的各種層錯能值。γ_isf：內在堆垛層錯能；γ_us：不穩定的堆垛層錯能；γ_TB：孿晶界能；γ_ut：孿晶界形核能。

圖2.CrCoNi合金的孿晶結構TEM圖

（a）圖a顯示的是CrCoNi合金晶粒中的分層孿晶結構TEM明場像圖，標尺1um。

（b）圖b顯示的是在孿晶界上的位錯陣列的低倍TEM明場像圖，標尺500nm。可以看到，位錯陣列可以在孿晶界附近，或者共格孿晶界及共格與非共格孿晶界交叉區域形成。

（c）圖c顯示的是沿<110>電子束方向得到的的選區電子衍射花樣，該選區為來自圖a中的共格孿晶界，其中出現的額外衍射斑點屬于孿晶標尺500nm，。

（d）圖d顯示的是來自圖a孿晶1中的共格和非共格孿晶界的高角環狀暗視野掃描透射電鏡STEM圖像，可以看到其為9R結構，標尺500nm。

圖3.在包含和不包含孿晶界下的原位壓縮CrCoNi合金微柱

?(a)圖a顯示的是在包含孿晶界下的原位壓縮CrCoNi合金微柱的低倍TEM暗場像，a中插入部分為微柱的選區電子衍射圖花樣。可以分辨出含有兩種類型的衍射斑點，分別為基體以及孿晶，表明有孿晶的存在。孿晶界由白色虛線構成，區域軸為[ 110 ]，標尺為200nm。

(b)圖b顯示的是在不包含孿晶界下的原位壓縮CrCoNi合金微柱的低倍TEM暗場像，a中插入部分為微柱的選區電子衍射圖花樣，可以看到沒有出現孿晶 (g=[220])，標尺為200nm。

(c)圖c為圖a與圖b兩種條件下微柱的工程應力-位移曲線，可以看到，在保證其他條件相同的條件下（如尺寸），含有孿晶界的CrCoNi合金微柱抗拉強度，塑性比不包含合金微柱的要高得多，說明其強度和塑性的提升主要歸結于孿晶界的作用。

圖4.原位成像形變過程中的位錯和孿晶序列

（a）圖a分別顯示的是孿晶結構的形成和位錯在孿晶界間的滑移動力學過程的TEM圖像序列，標尺為200nm。可以看到，在拉伸變形過程中，出現了多種類型的形變孿晶，形成了分層孿晶結構。

（b）圖b顯示的是在共格晶界上的成對部分位錯的滑移。右邊插入的衍射花樣為由于部分位錯從體心立方fcc滑移到密排六方hcp上引起孿晶界上的層錯變化，標尺為200nm。

【小結】

本文通過對三孿生系統結構的CrCoNi中熵合金進行一定條件的變形激活，獲得的3D分層孿晶網絡結構，具有強度-塑性-韌性組合優異性能，并通過相應的原位拉伸實驗，借助TEM等表征手段及第一性原理計算，揭示了其內在作用機理：該結構內部存在的孿晶界可引起位錯在孿晶界處的阻礙和塞積，使其強度得以提高；同時，特有的三維孿晶網絡結構可以提供位錯滑移，交叉滑移及在孿晶界--基體交界處交互作用等所需的多重運動路徑以便位錯的輕易滑移，從而保留良好的塑性；并且在連續變形過程中，該結構仍可以很好地保持穩定，使作用過程持續進行。總之，這一新機制的提出為未來新材料的研發具有重要指導意義。

文獻鏈接：Dislocation mechanisms and 3D twin architectures generate exceptional strength-ductility-toughness combination in CrCoNi medium-entropy alloy（Nat. Commun., 2017，Doi:10.1038/ncomms14390）

該文獻由材料人編輯部金屬材料學術組彭黃濤供稿。點我加入材料人編輯部。

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