1. 简介

多主元合金（MPEAs）是在极端条件下具有应用前景的结构材料。其优异的力学性能与位错滑移、孪生和相变等多种变形模式的顺序激活密切相关——这些变形模式在低温、高压或高应变速率变形过程中依次出现。然而，这些变形模式之间的内在关联及其所反映的MPEAs变形机制尚不明确。

本文通过面心立方（FCC）CrCoNi合金的软回收平板撞击实验，揭示了其压力依赖的变形模式演变规律：低压下形成层错，中压下发生孪生，高压下则诱发FCC→六方密排（HCP）相变。原子尺度表征表明，这种顺序变形由变形前沿90°和30°肖克利不全位错的协同作用所调控，MPEAs的低层错能（SFE）及其压力依赖的相稳定性促进了该过程。此外，在冲击加载的CrMnFeCoNi合金的孪晶前沿也观察到这种位错协同行为，证实了其在FCC结构MPEAs中的普适性。

理论分析表明，这种独特的位错协同行为可实现位错应变场的自补偿，并在非共格孪晶界及FCC/HCP界面处最小化界面弹性能。

2. 文章亮点

1. 协同位错驱动序列变形新机制
首次发现冲击载荷下面心立方（FCC）多主元合金（如CrCoNi）的序列变形（层错→孪生→相变）由90°和30°肖克利不全位错的协同作用调控。该机制通过位错应变场自补偿，显著降低非共格孪晶界及FCC/HCP界面的弹性能，突破了传统位错模型仅能解释单一变形模式的局限。

2. 压力依赖相变路径的微观验证
通过软回收平板撞击实验结合原子尺度表征，明确揭示CrCoNi合金在压力梯度下的变形模式演化：12 GPa低压生成层错，18 GPa中压诱发孪生，24 GPa高压触发FCC→HCP相变。分子动力学模拟证实，相变源于协同位错重组（每隔一层{111}面滑移掉单个90°/30°位错）。

3. 低层错能合金的普适性变形规律
在CrMnFeCoNi合金的孪晶前沿同样观测到位错协同行为，证实该机制在FCC结构多主元合金中具有普适性。蒙特卡洛模拟重现了从层错到孪生再到相变的序列过程，统一解释了低层错能合金（如不锈钢、镍基高温合金）在极端载荷下的多重变形模式关联性。

3. 研究背景

多主元合金（MPEAs），包括中高熵合金，因能同时提升强度、延展性和韧性而受到广泛关注。与传统以单一主元素为溶剂的合金不同，MPEAs包含三种或以上近似等摩尔浓度的元素，形成单相固溶体。对面心立方（FCC）结构MPEAs而言，其特殊的化学计量赋予其独特的力学性能，这些性能与变形过程中依次激活的位错滑移、孪生和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。尤其值得关注的是，MPEAs在冲击载荷下（如碰撞安全、弹道侵彻、航天器防护等领域）具有广泛应用前景。然而，MPEAs在冲击载荷下的力学响应及变形机制尚未明确，这限制了其在高应变率场景的应用。

关于MPEAs在冲击载荷下的动态行为，该领域研究日益增多。研究人员采用分离式霍普金森杆（SHPB）、轻气炮和激光冲击装置等技术，在应变率10³ s⁻¹至10⁷ s⁻¹范围内探究MPEAs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域化能力；动态加载更易诱发变形孪晶，从而同步提升强度和延展性。动态载荷下，FCC结构CrCoNi不稳定并会向HCP相转变，该相变被证实可促进均匀变形、提高应变硬化率和延展性。Jiang等通过轻气炮平板撞击实验研究CrMnFeCoNi的冲击压缩行为，发现其高强度源于变形孪晶的启动；Zhang等报道了Al0.1CoCrFeNi在冲击压缩下高应力激活孪生的现象；Zhao等最新激光冲击实验表明，CrCoNi在冲击压缩中形成堆垛层错、纳米孪晶和六方纳米薄片构成的立体网络。然而，MPEAs的晶体缺陷与冲击变形间的直接关联仍不明确——平板撞击和激光冲击实验的回收样品均经历侧向和后向稀疏波加载过程，复杂载荷条件和应力状态阻碍了对压力依赖变形行为的理解。

前期研究观察到：随压力、塑性应变和加载速率的增加以及变形温度降低，MPEAs的变形模式依次从层错转变为形变孪晶和FCC-HCP相变。类似现象在低SFE的传统FCC合金（如不锈钢和GH3536高温合金）中也有报道。这种顺序激活的多重变形模式使MPEAs、不锈钢和高温合金在极端条件下兼具优异的延展性、强度和断裂韧性。尽管如此，这些序列变形模式间的内在关联仍属未知。传统位错模型通过在连续或交替{111}面上形成相同柏氏矢量的肖克利不全位错，成功描述了孪生和HCP相变，但无法解释MPEAs及其他低SFE FCC合金中观察到的序列变形。理论上，多重变形模式的出现必然与低SFE相关（低SFE促进层错、形变孪晶和HCP相形成），但屈服强度与SFE无关的现象表明，仅凭低SFE不足以解释FCC MPEAs、铜合金、不锈钢和镍基高温合金的序列变形机制及其力学性能。

本研究通过软回收平板撞击实验和透射电镜（TEM），定量研究了FCC结构CrCoNi MPEA的冲击变形行为。该合金展现出从低压层错（

4. 图文解析

5. 文章结论

协同位错行为源于面心立方（FCC）CrCoNi多主元合金（MPEAs）的低层错能（SFE）及其压力依赖的相稳定性，该行为主导了压力依赖的序列变形过程：在低于12 GPa的低压下形成堆垛层错（SFs），在18 GPa下发生孪生，最终在24 GPa的高压下诱发FCC→六方密排（HCP）相变。

CrCoNi和CrMnFeCoNi MPEAs的变形孪晶前沿均由混合的30°和90°肖克利不全位错构成，且具有最小的弹性应变能。随着冲击压力的增加，CrCoNi合金中发生FCC孪晶向HCP相的转变，该过程伴随FCC孪晶与HCP界面的协同不全位错作用。肖克利不全位错的协同行为可通过变形前沿位错应变场的自补偿，有效最小化非共格孪晶界及FCC/HCP孪晶界面的界面能。

本研究揭示了CrCoNi MPEA序列变形过程中堆垛层错、变形孪晶与FCC-HCP相变之间的内在关联。位错-应变补偿主导的变形机制对于理解和模拟MPEAs在极端载荷条件下的力学行为具有重要意义。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120150