第一作者：Fulin Wang
通訊作者：Daniel S. Gianola
通訊單位：美國加州大學
研究要點：
1. 報道了一種有潛力的體心立方（bcc）多重元素合金（MPEA）材料的變形行為，該MPEA具有良好的室溫可塑性和在常規合金軟化的溫度下具有較高的強度。
2. 位錯運動和原子計算的結果揭示了非螺絲字符位錯的意外優勢，以及眾多用于錯位滑行的滑移面。
3. 該性質歸因于沿著位錯核心的抗滑移性變化，這是MPEA具有特征性的原子級成分波動所引起的。
4. 該機制可用于指導航空航天和發電高溫應用中新型MPEA材料的設計。
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幾個世紀以來，合金設計涉及采用非貴金屬并添加少量其他元素以改善性能。例如，在鐵中添加碳可增強強度，從而生成鋼，而在鎳中添加另一種元素，則可改善其抗腐蝕性能，從而生成不銹鋼。復雜的高溫合金具有復雜的成分，可在其熔點附近提供高性能，但它們仍基于幾種主要元素，通常為鎳，鈷或鐵。
為了擴大合金設計空間，最近的工作已轉向研究包含大量三種或三種以上元素的合金。這些不同的材料被稱為MPEA。這些新合金中的一些表現出高強度，高延展性，耐高溫性能或功能特性的組合。每種新的成分都可能導致合金內形成不同的相和微觀結構，而這些相和微觀結構又可以通過機械變形和熱處理來改變。由于這些廣泛的可能性，研究人員正在轉向和計算相組合的方法來預測可能導致合金具有所需性能的元素組合。其中最至關重要的是在合金設計過程必須對所需特定性能的影響因素的理解為指導。
擬解決的關鍵問題
耐火多重元素合金（MPEA）是非常有潛力的材料，可以滿足抗腐蝕性能的需求，但需要探究不同的方法來適應這些合金的體心立方（bcc）結構體中的塑性變形。
核心內容
有鑒于此，美國加州大學的Daniel S. Gianola教授課題組發表了由位錯所引起的具有體心立方結構的多重元素合金MoNbTi材料中的均勻塑形變形性和強度的理想組合。此外，澳大利亞悉尼大學的Julie Cairney教授對此發表了評論。
要點1. 等原子MoNbTi合金屈服應力的溫度依賴性和納米壓痕引起的位錯
Wang等提出了一種新型MPEA MoNbTi材料，該合金在室溫下具有良好的強度，但密度比許多其他耐火MPEA材料低得多。材料的密度對于運輸應用非常重要，尤其是在旋轉零件中，在這種情況下，較低的密度會通過減少自負載引起的應力來提高使用溫度。室溫下在掃描電子顯微鏡下進行的微型拉伸試驗中，該合金顯示出均勻的可塑性。
要點2. 透射電子顯微鏡下的動態位錯彎曲和滑移活動在規范區域和整個測試應力值中的分布
為了了解變形過程，Wang等人使用了結合了微型機械測試和高級顯微鏡的精密實驗裝置。他們使用聚焦離子束（FIB）在納米壓痕下制備橫截面，并對單晶樣品進行原位變形，再用FIB制備。拉伸軸與[001]方向對齊。他們觀察到了意外的非螺釘錯位結構。除了預期在室溫下使用bcc合金的滑移系統以外，還可以使用多種滑移系統。
要點3. 基于MoNbTi的邊緣位錯的模擬
Wang等將這種多平面，多字符的位錯滑移歸因于位錯滑移阻力的變化，該滑移阻力是由沿位錯核心的組成中的原子尺度化學波動引起的。原子模擬顯示，位錯運動所需的應力最低的平面在此系統中可能會有所不同，具體取決于局部原子構型。
小結
位錯滑移這一方法，對于提高合金材料的塑性和韌性是非常理想的。該結果解釋了可塑性的變化原因，并支持了基于滑動機理而非固溶強化的高溫強度的解釋。在Wang等人的工作中，原子探針層析成像表明原子是隨機分布的。與許多其他MPEA材料相比，這種合金中的物種數量更少，降低了分析的復雜性。可以在精心選擇的MPEA模型上進行進一步的原子探測工作，以最大程度地減少數據中的重疊峰。如果bcc MPEA合金確實可以與高溫下的超級合金相媲美，則必須考慮強度，延展性和韌性以外的因素。包括抗氧化性，蠕變強度，疲勞強度以及制造路線，這為將來的研究提供了方向。
參考文獻：
1. Fulin Wang et al. Multiplicity of dislocation pathways in a refractory multiprincipal element alloy. Science, 2020, 370, 6512, 95–101.
DOI: 10.1126/science.aba3722
https://science.sciencemag.org/content/370/6512/95
2. Julie Cairney et al. A rival to superalloys at high temperatures. Science, 2020, 370, 6512, 37–38.
DOI: 10.1126/science.abd6587
https://science.sciencemag.org/content/370/6512/37
