城大材料科学家发现了可同时增加高熵合金强度和延展性的新机制

由香港城市大学（城大）的材料科学家共同领导的一个科研团队，最近发现了一种新机制，可以同时提高“高熵合金”的强度和延展性，解决这两种特性经常互相抵消、难以同时提升的两难困局。这崭新的发现为将来设计既坚固而又富韧性的新一代高熵合金和高熵陶瓷，带来了重要的启示。

传统合金主要仅由一至两种主要元素构成，其强度与延展性“两难全”是一个长期存在的困局，金属强度的增加便往往意味着要牺性延展性（塑性），两者难以并存。在过去十年，科学界便提出了一种新的合金设计策略，把多种元素混合，制成新的合金。这种新合金被称为“多主元素合金”（MPEAs）或“高熵合金”（HEAs），表现出优异的力学性能，例如卓越的延展性和超强的强度。

高熵合金所具备的良好力学性能，来自严重的原子晶格变形（atomic lattice distortion）。这种变形是由于构成合金的多种主要元素分别具有不同原子尺寸、不同键合变化和晶体结构，当它们随机混合时，令合金的原子晶格扭曲，继而产生了“非均匀晶格应变效应”（heterogeneous lattice strain effect）。然而，非均匀晶格应变场（“应变场”是指物体內部某个区域的应变分布）难以量化和表述，因此究竟它对于透过“三维动态位错”（three-dimensional dynamic dislocation）去强化合金所带来什么影响，长期以来备受忽略，相关研究不多。

由城大机械工程学系杨勇教授和湖南大学方棋洪教授共同领导的研究团队，最新完成的实验和一系列的数学模拟，便证明了“非均匀应变场”可以通过新的异质应变诱导强化机制，提高高熵合金的力学性能，从而促进合金中的“强度-靭性”协同作用。他们的研究结果已经发表于科学期刊《The Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS）之上，题为〈Heterogeneous lattice strain strengthening in severely distorted crystalline solids〉。

“在材料科学与工程学的教科书之中，传统上有四种塑性强化机制，包括：位错强化、溶质强化、晶界强化和析出强化。这些教科书知识已经在大学里向材料科学、机械工程和应用物理专业的大学生传授了数百年。”杨勇教授续解释说，“但现在我们通过实验和数学模拟，发现了一种新的塑性强化机制，我们称之为‘非均匀晶格应变强化’。”

按传统的强化机制，强度与延展性两者难以同时提升，但这个新强化机制却能促进了合金的“强度-塑性”协同作用，意味着科研人员终于可以同时提高“高熵合金”的强度和塑性。杨教授补充：“科学界近期有不少新的发现，但这些新发现背后的机制仍在争论之中，而这个新机制正好有助于解释这些新发现，以及开发既坚固又具备延展性的新一代高熵金属和陶瓷。”

在实验中，科研团队首先利用基于高分辨率透射电子显微镜（TEM）的几何相位分析（GPA）等技术，对高熵合金FeCoCrNiMn内部的晶格应变进行了详细的测定。然后，他们进行了微米柱压缩实验，以研究合金的位错（dislocations）如何在合金内滑动和交叉滑移。最后，该团队通过结合实验测量的晶格应变，进行了广泛的“离散位错动力学”（discrete dislocation dynamics，简称DDD）模拟。

_{視頻展示通过离散位错动力学（DDD）模拟，晶格应变场对单轴拉伸载荷下的“位错动态演变”的影响；左方不同颜色的线代表不同滑移面的位错。视频来源：Li, Jia et al. /doi.org/10.1073/pnas.2200607119}

实验结果显示，晶格应变不仅可以限制位错运动，从而加强了合金屈服强度（yield strength，即抵抗塑性变形的应力），还可以促进位错交叉滑移以增强合金的塑性。研究结果证明了非均匀应变场对高熵合金的力学性能有显著影响。这不单为探索高熵合金的高强度特性的起源提供了新的视角，也为先进的结晶材料的发展开辟了新的路径。

研究团队透过实验和电脑模拟，揭示了实验中所观察到的“强度-延展性”协同作用背后的物理机制。杨教授说：“这项研究成果为克服传统合金的‘强度-延展性’两难局面，提供了一个基本机制。”

论文第一作者为湖南大学李甲副教授和陈阳博士，以及香港城大赫全锋博士（赫时为杨勇教授的博士生）。研究的其他合作者包括城大工学院杰出教授刘锦川教授、美国田纳西大学Peter K. Liaw教授，以及中南大学刘咏教授。研究主要资金来源包括香港优配研究金和国家自然科学基金。

本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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