《Science》子刊：新发现！难熔高熵合金独特的弹塑性变形行为！

导读：刃型位错被认为是BCC难熔高熵合金的主要位错类型，与传统的BCC合金不同。BCC结构NbTaTiV难熔高熵合金，独特的弹性和塑性变形行为新发现，可能是导致其整体力学性能优异的主要因素，本研究也为新型多晶材料的开发和生产提供了用于结构材料应用的路线。

高熵合金（HEA）为等摩尔或非等摩尔单相和多相固溶体。通过增加吉布斯自由能来最小化构型熵导致形成单相或多相固溶体，例如体心立方（BCC），面心立方（FCC）和/或密排六方固溶体相代替金属间化合物。具有不同原子半径的多个元素的随机分布导致原子间晶格发生严重扭曲。这些特征有助于获得所需的机械性能，例如高硬度，强度，延展性以及在室温和高温下的抗软化性。这些理想的机械性能与变形机制息息相关。尽管现阶段已有部分针对高熵合金的脆塑性模拟研究，但是这些理论计算方法在弹性各向异性和延展性方面对BCC HEAs的有效性仍有争议，缺乏实验证实，这是HEA研究的关键问题之一。

来自美国田纳西大学等单位的研究人员采用原位中子实验和理论计算方法探讨了NbTaTiV BCC难熔HEA在室温和高温下的弹性和塑性变形行为，发现与传统金属材料相比，NbTaTiV HEA在高温下弹性各向异性变形行为缺乏强烈的温度依赖性，这是一种非典型的弹性变形行为。相关论文以题为“Temperature dependence of elastic and plastic deformation behaviorof a refractory high-entropy alloy”发表在Science Advances。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/37/eaaz4748

研究发现Nb23.8Ta25.5Ti24.9V25.8合金元素分布均匀，原子百分比接近，晶粒尺寸为200-400μm，在室温和高温下均为单一BCC固溶体。经实验验证单相BCC结构在900℃时仍稳定存在。通常，由于多晶金属材料的弹性各向异性（包括FCC结构的HEAs），在外加应力下晶格应变与晶粒取向紧密相关。

弹性各向异性变形可通过晶格应变随应力变化的曲线进行分析。塑性各向异性是由某些晶粒上的塑性变形而产生的，而塑性变形往往发生在某些晶粒上。曲线斜率的增大表示特定晶粒的塑性屈服，而斜率的减小则表示载荷从屈服晶粒向仍处于弹性变形区域的相邻晶粒传递。在这种晶格应变演化趋势下，弹性区刚度最大的{110}和{211}晶粒由于滑移体系的存在，在早期就有屈服的倾向。随后，载荷从上述晶粒几乎定向转移到{200}和{310}晶粒。这种载荷分配会导致在经过大量塑性变形后，特定晶粒(如{200}晶粒)出现应力集中。

图1 NbTaTiV合金的组织、相特征和压缩性能。

图2 不同状态NbTaTiV合金晶格应变与外加应力的关系

NbTaTiV HEA在室温条件下，弹性变形过程中晶格应变无方向依赖性，导致不同晶粒的弹性模量接近。在这种不寻常的弹性变形下，所有取向的晶粒在相同的应力水平(约1000MPa)下屈服。此外，拉伸变形过程中载荷传递特征不明显，表明塑性各向异性减小，这种趋势可以使材料具有良好的塑性。通过计算得知，NbTaTiV HEA在室温下几乎完全呈现各向同性弹性变形。随着温度的升高，弹性各向同性逐渐增强。

图3 第一原理计算弹性特性的方向依赖性

图4 采用改良的Williamson-Hall图对NbTaTiV合金在高温下塑性变形进行ND模式建模

总的来说，本文用Williamson-Hall曲线定量研究了可移动位错类型，并通过HAADF-STEM实验验证。在高温下15%的塑性变形过程中，主要的可动位错被确定为刃型位错。严重畸变的晶格导致位错的形成偏离其中性位错面，从而导致塑性变形过程中刃型位错的迁移率大大降低。因此，刃型位错被认为是BCC难熔HEA的主要位错类型，与传统的BCC合金不同。BCC NbTaTiV难熔HEA独特的弹性和塑性变形行为的新发现可能是导致其整体力学性能优异的主要因素，本研究也为新型多晶材料的开发和生产提供了用于结构材料应用的路线。（文：破风）

扩展：扫描下方二维码，透射电镜原位观察高熵合金位错运动视频！

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