1. 简介
多主元合金（MPEAs）是极端条件下结构应用的理想材料，其优异的力学性能与低温、高压或高应变率变形过程中依次激活的位错滑移、孪生和相变等多种变形模式密切相关。然而，这些变形模式之间的内在关联及其背后的机制尚不明确。
本研究通过面心立方（FCC）CrCoNi MPEAs的软回收平板冲击实验，揭示了从低压堆垛层错（SFs）、中压孪生到高压FCC→六方密排（HCP）相变的压力依赖性变形序列。原子尺度表征表明，这一序列变形由变形前沿90°和30°肖克利不全位错的协同作用调控，其驱动力源于MPEAs的低层错能（SFE）和压力依赖的相稳定性。此外，在冲击加载的CrMnFeCoNi MPEA中也观察到类似的位错协同行为，证实了该机制在FCC MPEAs中的普适性。理论分析指出，这种独特的位错协同行为可实现位错应变场的自补偿，并最小化非共格孪晶界与FCC/HCP界面的弹性应变能。
2. 文章亮点
1. 揭示压力依赖的位错协同变形机制
通过软回收平板冲击实验和原子尺度表征，首次发现CrCoNi多主元合金在冲击加载下，其从堆垛层错→孪生→FCC→HCP相变的序列变形由90°和30°肖克利不全位错的协同作用调控，该机制通过自补偿位错应变场最小化界面弹性能。
2. 提出低层错能合金的普适性变形模型
在CrMnFeCoNi合金中验证了相同位错协同行为，证实该机制在面心立方多主元合金中具有普适性，为低层错能材料在极端条件下的变形行为提供了统一理论框架。
3. 建立压力-相稳定性耦合的热力学路径
结合DFT计算和分子动力学模拟，阐明高压下HCP相的热力学稳定性及位错重组动力学路径，揭示了冲击加载中相变与孪生的竞争关系源于压力依赖的层错能和相稳定性变化。
3. 研究背景
多主元合金（MPEAs），包括中高熵合金，因其在强度、塑性和韧性上的协同提升而受到广泛关注。与传统以单一主元为溶剂的合金不同，MPEAs由三种或以上近似等摩尔比的元素构成单相固溶体。对于面心立方（FCC）结构的MPEAs，其独特的化学计量比赋予其优异的力学性能，这与变形过程中依次激活的位错滑移、孪生以及FCC→六方密排（HCP）相变等多种变形模式密切相关，类似于具有低层错能（SFE）的不锈钢、铜合金和GH3536高温合金。由于多重变形机制的激活，MPEAs在低温、高压和动态加载等极端条件下表现出卓越的力学性能。尤其在冲击载荷下，MPEAs在碰撞安全、弹道侵彻、航天器防护及行星地质等领域的应用潜力巨大。然而，目前对MPEAs在冲击载荷下的力学响应和变形机制仍缺乏深入理解，制约了其在高应变率场景中的应用。
关于MPEAs在冲击载荷下的动态行为，已有研究采用分离式霍普金森杆（SHPB）、轻气炮和激光冲击装置等手段，探究了应变率在10³~10⁷ s⁻¹范围内的力学行为。在~10³ s⁻¹应变率下，CrCoNi基MPEAs表现出优异的抗剪切局部化能力。动态加载还促进孪生变形，实现强度与塑性的同步提升。此外，FCC CrCoNi在动态加载下不稳定，会转变为HCP结构，这种相变可增强均匀变形并提高加工硬化率和延展性。通过轻气炮平板冲击实验，Jiang等发现CrMnFeCoNi合金的高强度源于孪生变形的启动；Zhang等研究表明Al0.1CoCrFeNi在高冲击应力下可激活孪生；Zhao等利用激光冲击实验揭示了CrCoNi中堆垛层错、纳米孪晶和HCP纳米层片构成的三维缺陷网络。然而，由于回收样品在冲击过程中经历复杂的侧向和尾部卸载波作用，MPEAs的缺陷演化与冲击变形之间的直接关联尚不明确，压力依赖的变形行为机制仍有待揭示。
前期研究发现，MPEAs的变形模式随压力、塑性应变、加载速率的升高或变形温度的降低依次从堆垛层错转变为孪生和FCC→HCP相变。类似现象也见于低SFE的传统FCC合金（如不锈钢和GH3536高温合金）。这种序列变形使MPEAs和传统合金在极端条件下兼具高延展性、强度和断裂韧性。然而，这些变形模式间的内在关联仍属未知。传统位错模型通过相同伯氏矢量的肖克利不全位错在连续或交替{111}面上的滑移来解释孪生和HCP相变，但无法阐明MPEAs和低SFE FCC合金中的序列变形行为。尽管低SFE促进堆垛层错、孪生和HCP相的形成，但屈服强度与SFE的无关性表明，仅凭低SFE无法完全解释这些材料的序列变形机制与力学性能。
本研究通过软回收平板冲击实验和透射电镜（TEM）定量分析了FCC CrCoNi MPEAs的冲击变形行为，揭示了从低压堆垛层错、中压孪生到高压FCC→HCP相变的压力依赖性序列变形。原子尺度表征表明，该序列变形由90°和30°肖克利不全位错在变形前沿的协同作用调控，其驱动力源于MPEAs的低SFE和压力依赖的相稳定性。此外，在冲击加载的CrMnFeCoNi中也观察到类似的位错协同行为，证实了该机制在FCC MPEAs中的普适性。
4. 图文解析
(d) 18 GPa冲击下的BF-STEM图像（显示纳米孪晶带）；(e) 对应SAED图谱（绿色箭头：孪晶衍射斑点）；(f) 2.6 nm厚孪晶的HAADF-STEM图像（插图为FFT图谱，显示镜面对称性）。
(g) 24 GPa冲击下的BF-STEM图像（含堆垛层错与厚变形带）；(h) 对应SAED图谱（h) 对应SAED图谱（绿色箭头：孪晶斑点；黄色箭头：HCP相斑点）；(i) HCP相的HAADF-STEM图像（插图为FFT图谱，显示ABAB堆垛）。
5. 文章结论
本研究通过软回收平板冲击实验和原子尺度表征，揭示了面心立方（FCC）CrCoNi多主元合金（MPEAs）在冲击加载下的压力依赖性序列变形行为：从低压堆垛层错（SFs）到中压孪生，再到高压FCC→六方密排（HCP）相变。原子分辨率HAADF-STEM分析表明，这一序列变形由变形前沿90°和30°肖克利不全位错的协同作用调控，其驱动力源于MPEAs的低层错能（SFE）和压力依赖的相稳定性。位错协同行为通过自补偿应变场，显著降低了非共格孪晶界和FCC/HCP界面的弹性应变能。
全文链接
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120150
本文源自微信公众号：科学拾光
原文标题：《【Acta Mater亮点】北理工揭示多主元合金动态变形核心机制：压力-相稳定性耦合的位错重组》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/H6n_EXICoXZRniQ_iquZcg
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