一、研究背景及意义
高熵合金（HEA）和中熵合金（MEA）含有通常具有等原子比或接近等原子比的多个主元素，由于其独特且有前途的机械特性（例如高拉伸强度、上级延展性和优异的断裂韧性）而引起相当大的关注。控制这类新合金变形和断裂的基本机制仍需要补充分析。在本研究中，利用原子分辨扫描透射电镜（STEM）研究了中熵CrCoNi合金变形带的形核和长大机制，发现在变形初期，位错滑移是主要的变形方式，随着应变的增加，同时出现了形变孪晶和密排六方晶（HCP）片晶，对这些过程中位错的分析表明，CrCoNi合金中形变带的形核机制有两种：Mahajan等人提出的三层机制以及HCP相向孪晶的转变。在较大变形水平下多滑移系的激活导致基于偏差的机制的激活，还观察到许多HCP带保留并与纳米级孪晶重叠，导致短程HCP-孪晶堆叠，这有助于该合金的高加工硬化率。
二、成果速览
通过原子分辨率球差电镜揭示了等原子比CrCoNi中熵合金的变形机制。研究发现该合金在早期变形阶段以平面位错滑移为主，伴随大量堆垛层错（SFs）的形成，其层错能测定为24±3 mJ/m²。随着应变增加，变形孪晶与六方密排（HCP）层片同时出现，其中90%的变形带为纳米级孪晶（平均厚度5.4±3 nm），10%为HCP相，二者形成短程堆叠的层状复合结构。这种独特的微观结构通过TWIP（孪晶诱导塑性）与TRIP（相变诱导塑性）协同效应显著提升加工硬化率。关键机制包括：Mahajan三层层错机制主导的孪晶成核过程，即共面位错反应形成外禀-内禀层错对进而演化为三原子层孪晶胚；HCP相变通过类似机制在非相邻滑移面形成四层HCP片层，并可进一步转化为孪晶（HCP→twin）；高位错密度下基于位错偏转的Venables极机制和Cohen-Weertman模型促进孪晶增厚。实验首次在原子尺度证实了CrCoNi合金中纳米级孪晶与HCP片层的交错分布会阻碍位错运动，产生动态Hall-Petch效应和背应力强化，这解释了该合金兼具高强（~1 GPa）、高延展性（断裂应变~0.6）和优异断裂韧性（>200 MPa·m¹/²）的原因。研究还发现HCP层可作为孪晶源，通过HCP→twin转变形成层状亚结构，这种转变由HCP相内层错间新SPDs的形核和滑移驱动。该工作为设计高性能中/高熵合金提供了原子尺度的机制指导，揭示了成分复杂合金中变形机制与传统合金的差异性。
三、主要图表介绍
图 3：在再结晶状态下，（b）ε=0.02，（c-d）ε=0.1，（e-f）ε=0.2（c，d，BF显微照片（a-c）是在靠近[-110]带轴处获得的，反射平面g = BF显微照片（d-f）是在反射面g = 111的[011]带轴附近获得的。
图 4：在变形至ε=0.02的样品中获得的解离位错的TEM-WBDF显微照片，红色箭头指示全位错的Burgers矢量。(b)两个SPD之间的分离距离是位错线和全位错的Burgers矢量之间的角度的函数。三条曲线表示使用公式（6）计算的不同SFE的部分位错分离。
图 5：（a）在变形至ε=0.1的样品中形成的SF的低放大率HAADF-STEM显微照片。（B、d和f）示出了SF的三个不同区域中的原子分辨率HAADF-STEM显微照片，由（a）中的红色矩形标记。（B、d和f）。（c、e和g）示出了图10中由白色虚线矩形标记的区域的放大的HAADF-STEM。（B、d和f）。（c、e和g）;（h）外-内断层对形成的示意图。
图 6：(a)在变形至ε=0.1的样品中形成的SF/纳米孪晶薄片的低放大率HAADF-STEM显微照片。（B、d、f和h）示出了SF的四个不同区域中的原子分辨率HAADF-STEM显微照片，这四个区域在（a）中由红色矩形标记。（B、d、f和h）。（c、e、g和i）示出了（B、d和f和h）中由白色虚线矩形标记的区域的放大的HAADF-STEM。SF/纳米孪晶区域在（c、e、g和i）中由红色虚线标记。（j）三层孪晶的断层配置的示意图。
图 7：（a）在变形至ε=0.1的样品中形成的四层HCP薄片的低放大率HAADF-STEM显微照片。（B、d和f）示出了四层HCP的三个不同区域中的原子分辨率HAADFSTEM显微照片，这三个区域在（a）中由红色矩形标记。（B、d和f）.（c、e和g）示出了（B、d和f）中由白色虚线矩形标记的区域的放大的HAADF-STEM。（c、e和g）中由红色虚线标记的SF区域。（h）四层HCP的故障配置的示意图。
图 8：显示六层（a）和八层（c）HCP相形成的原子分辨率HAADF-STEM显微照片（B和d）显示（a和c）中由白色虚线矩形标记的区域的放大HAADF-STEM。（e）六层和八层HCP形成的示意图。
图 9：(a)在变形到ε=0.1的样品中形成的HCP/纳米孪晶薄片的低放大率HAADF-STEM显微照片。（b和c）呈现原子分辨率HAADF-STEM显微照片，突出显示六层HCP相到六层孪晶的转变以及六层孪晶到四层HCP相的转变。（B和c）中的两个区域在（a）中用红色矩形标记。（c和e）是在（B和c）中的白色虚线矩形中获得的放大的HAADF-STEM显微照片。移动和未移动的原子平面由白色线和白色虚线标记。
图 10：HAADF-STEM显微照片显示变形至ε=0.1的样品中孪晶和HCP相的重叠。
图 11：对于变形到ε=0.2的样品，（a）在倾斜图3（f）的区域远离110带轴之后的双束BF显微照片;（B）HAADF-STEM显微照片，其显示SF和初级孪晶的相互作用。
图 12：孪晶和HCP相的成核机制的示意图。
四、主要结论
研究通过原子分辨率扫描透射电镜（STEM）系统揭示了等原子比CrCoNi中熵合金的变形机制及其与力学性能的关联。研究发现该合金在早期变形阶段以平面位错滑移为主导，伴随大量堆垛层错（SFs）的形成，其层错能测定为24±3 mJ/m²。随着应变增加，变形机制呈现复杂演化：约90%的变形带表现为平均厚度5.4±3 nm的纳米级孪晶，10%为六方密排（HCP）相，二者形成短程堆叠的层状复合结构。这种独特的微观结构通过TWIP（孪晶诱导塑性）与TRIP（相变诱导塑性）协同效应显著提升加工硬化率，具体表现为Mahajan三层层错机制主导的孪晶成核过程——即共面位错反应形成外禀-内禀层错对进而演化为三原子层孪晶胚，而HCP相变则通过类似机制在非相邻滑移面形成四层HCP片层并可进一步转化为孪晶（HCP→twin）。研究首次在原子尺度证实了CrCoNi合金中存在的三种关键强化机制：纳米级孪晶与HCP片层的交错分布产生的动态Hall-Petch效应、位错运动受阻形成的背应力强化，以及HCP层作为孪晶源通过HCP→twin转变形成的层状亚结构协同作用。这些发现从本质上解释了该合金兼具高强（~1 GPa）、高延展性（断裂应变~0.6）和优异断裂韧性（>200 MPa·m¹/²）的原因，同时揭示了成分复杂合金中变形机制与传统合金的差异性，特别是观察到HCP相可通过层错间新Schockley分位错（SPDs）的形核和滑移驱动转变为孪晶的创新现象，为设计高性能中/高熵合金提供了原子尺度的机制指导。
五、期刊信息
文章题目：Potential TRIP/TWIP coupled effects in equiatomic CrCoNi medium-entropy alloy
本文源自微信公众号：金属材料说
原文标题：《Acta I 球差电镜详解FCC高熵合金TRIP或TWIP效应原子尺度变化机制》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/3d9eTkYbFOic5Fdqk7rgig
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