今日Nature：力學(xué)所/清華/西安交大新進(jìn)展！
vivi
2021-04-29
第一作者：Xuefei Chen, Qi Wang, Zhiying Cheng通訊作者：Xiaolei Wu，Jing Zhu, En Ma通訊單位：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，清華大學(xué)，西安交通大學(xué)多元元素合金是金屬元素等原子混合的單相固溶體，因其突出的力學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。其中三元體系通常稱(chēng)為中熵合金(MEAs)，四元或五元體系稱(chēng)為高熵合金(HEA)，這也就暗示了它們具有高構(gòu)型熵。然而，在常溫下，組成元素之間的焓相互作用會(huì)導(dǎo)致不同程度的局部化學(xué)有序性，其中短程有序(CSRO)是最難被表征的，迄今為止還沒(méi)有得到化學(xué)短程有序的確鑿證據(jù)。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所Xiaolei Wu、清華大學(xué)Jing Zhu和西安交通大學(xué)的En Ma等聯(lián)合發(fā)現(xiàn)，組合使用先進(jìn)的表征技術(shù)可以明確地顯示出面心立方VCoNi固溶體中的存在短程有序結(jié)構(gòu)。該研究為至關(guān)表征中/高熵合金材料中的化學(xué)有序性提供了新的思路，方便更加深入理解其機(jī)制，闡明短程有序性對(duì)塑性機(jī)制和力學(xué)性能的影響。
圖1 VCoNi 中熵合金的TEM微觀結(jié)構(gòu)分析1、聯(lián)合使用先進(jìn)的表征技術(shù)可以明確地顯示在面心立方VCoNi固溶體中的存在短程有序結(jié)構(gòu)。該組合技術(shù)包括適當(dāng)?shù)膮^(qū)域軸，微/納米光束衍射以及原子分辨率成像和通過(guò)透射電子顯微鏡進(jìn)行的化學(xué)成像。2、配套的工具套件提供了有關(guān)短程有序結(jié)構(gòu)程度，原子堆積結(jié)構(gòu)以及化學(xué)物種對(duì)相鄰晶格平面/位置的優(yōu)先占有的具體信息。3、對(duì)最近原子殼層上的短程有序結(jié)構(gòu)的序參量和相關(guān)性進(jìn)行建模，結(jié)果表明短程有序性源于對(duì)異金屬鍵(V?Co和V?Ni)的偏愛(ài)以及對(duì)V?V鍵的規(guī)避。4、該發(fā)現(xiàn)為鑒定中熵合金固溶體中的化學(xué)短程有序性提供了一種方法。同時(shí)還使用原子應(yīng)變映射證明了化學(xué)短程有序性增強(qiáng)了位錯(cuò)相互作用，并闡明了這些化學(xué)短程有序性對(duì)變形時(shí)塑性機(jī)制和力學(xué)性能的影響。因?yàn)閂?Co、V?Ni和V?Co?Ni的平衡相圖顯示了在一定溫度和成分范圍內(nèi)存在二元和三元金屬間化合物，故該研究以V-Co-Ni三元合金作為模型體系。VCoNi 中熵合金以前被認(rèn)為在室溫下是一個(gè)面心立方(fcc)隨機(jī)固溶體，因此很可能是一個(gè)具有高度部分化學(xué)有序性的亞穩(wěn)相。研究者使用諸多先進(jìn)的表征技術(shù)對(duì)VCoNi中熵合金中的化學(xué)短程有序結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。TEM結(jié)果顯示了VCoNi 中熵合金中的雙相成分。主要相為fcc，約占80%；其余相為具有長(zhǎng)程化學(xué)有序性的L12結(jié)構(gòu)，約占20%。從原子探針斷層掃描數(shù)據(jù)來(lái)看，其成分為V36Co33Ni31，相對(duì)于整體VCoNi成分略有偏移，這是由于L12共存所致，其中Co和Ni含量稍多。緊接著，研究者集中研究fcc相中的化學(xué)短程有序性結(jié)構(gòu)。圖2 fcc 相VCoNi中短程有序結(jié)構(gòu)的證據(jù)為了深入理解中熵合金中化學(xué)短程有序性的起源，研究者進(jìn)行了能量色散x射線(xiàn)能譜(EDS)成像和理論建模，結(jié)果表明短程有序性源于對(duì)異金屬鍵(V?Co和V?Ni)的偏愛(ài)以及對(duì)V?V鍵的規(guī)避。除此之外，研究者還發(fā)現(xiàn)該中熵合金材料拉伸變形前后的化學(xué)短程有序性程度幾乎相同。緊接著他們深入研究了局部化學(xué)有序性如何影響HEAs和MEAs的力學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，化學(xué)短程有序性增強(qiáng)了位錯(cuò)相互作用，從而對(duì)變形時(shí)塑性機(jī)制和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。
圖3化學(xué)成像表明元素在交替原子平面上存在特定的聚集圖4 短程有序區(qū)域與位錯(cuò)區(qū)域之間的相互作用1、發(fā)展了一種新技術(shù)：直接表征中熵合金材料中化學(xué)短程有序性結(jié)構(gòu)。2、深化了對(duì)化學(xué)短程有序性的理解：既可以與已知第二相的化學(xué)有序性相同，也可以是一種新的亞穩(wěn)態(tài)有序性。3、化學(xué)短程有序性的尺度范圍：盡管化學(xué)短程有序性的定義僅限于亞納米范圍，但建立在三維空間中的某些維度上可以發(fā)展到遠(yuǎn)距離有序。Chen, X., Wang, Q., Cheng, Z. et al. Direct observation of chemical short-range order in a medium-entropy alloy. Nature 592, 712–716 (2021).DOI:10.1038/s41586-021-03428-zhttps://doi.org/10.1038/s41586-021-03428-z
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