第一作者：Ruopeng Zhang
通訊作者：Andrew M. Minor
通訊單位：美國加州大學(xué)
研究亮點：
1. 對中熵合金中短程排列的結(jié)構(gòu)特征進行了可視化觀測。
2. 通過納米尺度的局部有序度調(diào)整，為中、高熵合金的力學(xué)性能調(diào)節(jié)提供了新的途徑。
研究背景
傳統(tǒng)的金屬合金，當(dāng)其中含量少的原子在低于它們的溶解度限制時傾向于隨機分布，當(dāng)高于溶解度限制時會形成第二相。多元元素合金的概念最近擴展了這一觀點，因為這些材料是金屬元素等原子混合的單相固溶體。這類材料因其突出的力學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。三元體系通常稱為中熵合金，四元或五元體系稱為高熵合金，暗示了它們的高構(gòu)型熵。然而，問題是這些固溶體到底有多隨機，在計算模擬中?？紤]短程有序(SRO)的影響，但做不到對其進行直接地實驗觀測。而我們卻需要詳細描述有序度的程度和空間范圍，以及熱經(jīng)歷和機械行為的任何相關(guān)影響將如何影響這兩者。
成果簡介
有鑒于此，美國加州大學(xué)的Andrew M. Minor課題組等，利用能量過濾透射電子顯微鏡（TEM）觀察到了CrCoNi 中熵合金中可歸結(jié)為短程有序排列的結(jié)構(gòu)特征。這種有序度的增加會導(dǎo)致更高的堆垛層錯能和硬度。這些結(jié)果表明，納米尺度的局部有序度可以通過熱機械加工來調(diào)整，這為調(diào)整中、高熵合金的力學(xué)性能提供了新的途徑。
圖1. 能量過濾TEM衍射圖案、暗場圖像等。
要點1：實驗的設(shè)計
為了研究化學(xué)SRO的存在，等原子的CrCoNi合金樣品在1200°C均質(zhì)化后，進行了兩種不同的熱處理：
(1) 用水淬至室溫來抑制SRO的形成；
(2) 在1000°C老化120h，之后緩慢冷卻加熱爐以促進SRO的形成；
為了清晰觀測微觀結(jié)構(gòu)和SRO程度，作者使用了配備柱內(nèi)Ω能量過濾器和16-bit 動態(tài)范圍攝像機的蔡司TEM。
要點2：SRO的可視化
測試結(jié)果表明作者成功的提高了來自SRO衍射對比度的信噪比，直接觀測到了CrCoNi 中熵合金的SRO區(qū)域。高溫水淬和緩慢冷卻的樣品，對比度的不同可能是源于不同溫度下原子的高低遷移率的差異; 這種高的遷移率使合金能夠向有較低自由能態(tài)的化學(xué)SRO轉(zhuǎn)化。
要點3：位錯分析
高溫水淬樣品中位錯是隨機分布的；而在緩慢冷卻的存在SRO的樣品中，位錯的局域平面構(gòu)型有明顯的變化趨勢，位錯也傾向于形成位錯對，使相鄰位錯的間距減小。之后基于SRO原子構(gòu)型的密度泛函理論(DFT)計算，確定了位錯滑移現(xiàn)象的DAPB能量，證明了平面位錯滑移起源的理論。
圖2. 高溫水淬和緩慢冷卻兩種樣品的位錯分析。
要點4：力學(xué)性能分析
力學(xué)性能測試表明，緩慢冷卻的樣品會增強納米壓痕硬度，起始塑性。整體拉伸試驗證實了SRO的強化效果，不過SRO的形成對中熵合金的整體延性影響不大。
圖3. 高溫水淬和緩慢冷卻兩種樣品的力學(xué)性能測試。
小結(jié)
作為一種新興的結(jié)構(gòu)材料，中、高熵合金在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中具有良好的綜合力學(xué)性能。在這里，作者直接對局部有序進行了可視化成像，并展示了中熵合金的變形行為如何與SRO的程度直接相關(guān)。由于對機械性能的影響，SRO的程度是材料設(shè)計階段應(yīng)該考慮的一個關(guān)鍵特征。因此，直接在原子水平上裁減SRO微觀結(jié)構(gòu)為控制材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系提供了另一條途徑。
參考文獻
Zhang, R., Zhao, S., Ding, J. et al. Short-range order and its impact on the CrCoNi medium-entropy alloy. Nature 581, 283–287 (2020).
DOI: 10.1038/s41586-020-2275-z
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2275-z
