特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（米測 技術中心）
編輯丨風云
多主元素合金(MPEA)由許多高濃度的成分元素組成，原子比相等或接近相等，稱為高熵合金，在探索更好的機械性能方面比傳統稀合金具有更大的成分靈活性。體心立方(bcc)難熔多主元合金以多種難熔金屬元素為成分，屈服強度大于1吉帕，是滿足侵蝕性結構應用需求的有前途的材料。
然而，體心立方MPEA的應用仍存在以下問題：
1、室溫下的超低拉伸延展性限制了bcc的加工性能
雖然主要由耐火元素組成的bcc耐火MPEA 在室溫下很容易實現接近或超過1GPa的高屈服強度，但阻礙其加工性能和潛在應用的一個關鍵瓶頸是其低拉伸甚至無拉伸延展性。
2、如何打破耐火MPEA的強度和延展性之間平衡仍是具有挑戰性的問題
bcc MEPA的強度-延展性之間存在權衡關系，這是因為直螺旋位錯平面滑移主導塑性變形，缺乏位錯相互作用和倍增應變硬化，而應變硬化對于維持離域塑性應變至關重要。否則，應變局部化和不穩定性會在屈服后立即發生。
有鑒于此，北京工業大學韓曉東、毛圣成等人提出了一種HfNbTiVAl10合金，它具有出色的拉伸延展性（約20%）和超高屈服強度（約1,390兆帕）。源于在HfNbTiV合金中添加鋁，形成負混合焓固溶體，從而提高強度并有利于分層化學波動(HCF)的形成，所形成的合金具有最佳的協同效應。HCF跨越了亞微米到原子尺度，并產生高密度的擴散邊界，作為位錯運動的有效障礙。因此，依次刺激多功能位錯配置，使合金能夠適應塑性變形，同時促進實質性相互作用，從而引起兩次不尋常的應變硬化率上升。因此，塑性不穩定性顯著延遲，從而將塑性范圍擴展為超大拉伸延展性。這項研究為實現MPEA中超高強度和大拉伸延展性的協同組合提供了寶貴的見解。
技術方案：
1、表征了HNTVA10合金的優異性能和微觀結構
作者表明HfNbTiVAl10合金在室溫下表現出優異的拉伸強度-延展性協同作用，HNTVA10合金中的CF具有三維、分層、異質結構。
2、探究了應變硬化率和位錯密度之間的關系
作者繪制了歸一化應變硬化率(θ)與合金真實應變的關系，表明積累到高密度的位錯對維持HNTVA10合金簡單拉伸應變的有效應變硬化有很大貢獻。
3、解析了HNTVA10合金變形機制
作者通過TEM和STEM分析進一步探究了合金變形機制，表明M-CF-位錯耦合增加了M-CF周圍的局部應變，增強應變硬化的同時有助于提高延展性。
技術優勢：
1、實現了出色延展性和超高強度的最佳協同
作者提出 HfNbTiVAl10合金由于形成負混合焓固溶體，具有出色的拉伸延展性（約20%）和超高屈服強度（約1,390兆帕）。
2、提出的負混合焓固溶體策略可實現MPEA強度和延展性協同
作者證明了所提出的負混合焓固溶體策略是通用的和可重復的，為實現MPEA中超高強度和大拉伸延展性的協同組合提供了寶貴的見解。
技術細節
HNTVA10合金表征
圖 HNTVA10合金的拉伸性能以及與其他高性能bcc耐火MPEA的比較
圖 HNTVA10合金中具有多級CFs的分層異質結構
應變硬化率和位錯密度
圖 張力下的歸一化應變硬化率和位錯密度
合金變形機制
作者通過TEM和STEM分析進一步探究了合金變形機制。首先，作者關注HCF與移動位錯的相互作用對第一個θ上升的貢獻。為了揭示M-CF對位錯運動的影響，利用峰對算法分析了M-CF周圍的彈性應變場分布，由于V原子的半徑相對較小與Hf原子的半徑不匹配，因此顯示出較大的彈性應變，增強了對位錯運動的抵抗力，導致位錯相互作用增加。M-CF-位錯耦合增加了M-CF周圍的局部應變，在釘扎區域產生額外的阻塞效應，從而導致應變硬化。此外，這種增強的阻擋效應促進位錯的交叉滑移作為位錯倍增，因此增加了位錯纏結的機會，提供了連續的塑性變形機制。這不僅可以增強應變硬化，還有助于提高延展性。
圖 HNTVA10合金的變形機制
總之，作者開發了HNTVA10耐火MPEA，并在張力下表現出卓越的強度-延展性協同作用。這是通過負混合焓強化效應以及跨越多個尺度的獨特分層化學異質性的相關生成來實現的。這些異質性在阻礙位錯運動同時促進位錯相互作用和積累，從而延遲塑性失穩方面發揮著至關重要的作用。負混合焓固溶體策略被證明是通用的和可重復的，并為其他可以同時提高強度和延展性的MPEA系統提供了啟示。
參考文獻：
An, Z., Li, A., Mao, S. et al. Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06894-9
