1. 简介

难熔高熵合金（RHEAs）因其优异的高温强度而备受关注，但大多数RHEAs在室温下存在脆性问题，这限制了其实际应用。

本研究以TiZrHfNb_x（x = 0.4、0.6、0.8、1）为模型合金体系，所有合金均呈现单相体心立方（BCC）结构。随着Nb含量的增加，断裂应变从8.76%显著提升至33.21%，且未牺牲整体屈服强度。通过系统的实验与理论分析，研究了位错相互作用机制。TiZrHfNb_0.4的有限拉伸延性归因于被限制在少数滑移面上的长直螺型位错；而TiZrHfNb合金中的位错分布均匀，其优异的拉伸延性源于罕见的边型位错激活——这在普通BCC结构合金中极少出现。原子尺度分析表明，不同位错构型与行为的物理起源可归因于TiZrHfNb合金更高的错配体积和弹性不对称性。

本研究不仅揭示了一种新的增韧机制，还为通过调控原子尺度环境设计高延性RHEAs提供了新途径。

2. 文章亮点

1. 通过铌含量调控实现强度-塑性的协同提升
在TiZrHfNbx合金中，随着Nb含量增加（x=0.4至1），断裂应变从8.76%显著提升至33.21%，且屈服强度仅下降不到50MPa，突破了传统难熔高熵合金强度与塑性的权衡关系。

2. 发现边缘位错激活的新增韧机制
通过原子尺度分析揭示，TiZrHfNb合金的高塑性源于边缘位错的异常激活（传统BCC合金中罕见），其短而弯曲的位错构型促进均匀变形，而低Nb合金中长直螺型位错导致局部应变集中。

3. 提出原子尺度环境调控设计策略
研究表明，高Nb含量合金的错配体积和弹性不对称性改变了位错行为，为通过调控成分诱导边缘位错、设计高塑性难熔高熵合金提供了新途径。

3. 研究背景

高熵合金（HEAs）或多主元合金（MPEAs）是近年来高性能金属材料领域的重要突破。其设计理念是通过多种合金元素形成单相固溶体。与传统合金不同，HEAs的优异性能源于独特的原子结构特征，如晶格畸变和化学短程有序。局部化学波动会扰乱势能景观，显著增加位错滑移阻力，从而形成HEAs特有的异质晶格应变强化机制。

HEAs通常基于单相固溶体结构（如FCC、BCC、HCP）。其中，BCC结构的难熔高熵合金（RHEAs）因在高温材料领域的应用潜力而备受关注。RHEAs的高强度源于可激活滑移系统少、局部晶格畸变容忍度高以及较高的Peierls-Nabarro应力。尽管已开发出多种RHEAs体系（如CrNbTiVZr、TiZrHfNbTa、CrMoNbV），但多数合金仅在压缩条件下表现良好，仅有极少数能在室温下展现拉伸延性。室温脆性仍是制约RHEAs发展和应用的核心问题，而现有增韧方法往往伴随强度的大幅牺牲。

目前，研究者通过自旋odal调制、亚稳态工程（如TRIP/TWIP效应）等手段提升RHEAs延性。例如，HfNbTiV体系中自旋odal分解结构（β+β*）通过周期性β*区域的晶格畸变促进位错交滑移和增殖；TaHfZrTi TRIP合金通过不稳定BCC相与HCP层状相的交替排列实现强度提升；低温下TiZrHfNb TWIP合金通过孪生网络将BCC基体分割为纳米岛结构，获得35%的拉伸应变。此外，局部化学波动和间隙原子（如氧、氮）的引入也被证实可通过改变位错运动学影响强塑性。然而，针对BCC结构RHEAs的增韧机制仍缺乏系统性研究。

本研究通过精确调控TiZrHfNb_x体系中Nb含量，在屈服强度仅下降不足50MPa的前提下，将断裂应变从8.76%提升至33.21%。多尺度分析表明，这种独特的强塑性协同效应源于Nb含量变化导致的位错行为转变——从低Nb合金中受限的螺型位错滑移，转变为高Nb合金中边缘位错的异常激活。原子尺度化学波动和晶格应变是调控位错构型的物理本质，这为突破RHEAs强度-塑性权衡提供了新思路。

4. 图文解析

5. 文章结论

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120614

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120614