城大材料科學家發現了可同時增加高熵合金強度和延展性的新機制

由香港城市大學（城大）的物料科學家共同領導的一個科研團隊，最近發現了一種新機制，可以同時提高「高熵合金」的強度和延展性，解決這兩種特性經常互相抵消、難以同時提升的兩難困局。這嶄新的發現為將來設計既堅固而又富韌性的新一代高熵合金和高熵陶瓷，帶來了重要的啟示。

傳統合金主要僅由一至兩種主要元素構成，其強度與延展性「兩難全」是一個長期存在的困局，金屬強度的增加便往往意味著要犧性延展性（塑性），兩者難以並存。在過去十年，科學界便提出了一種新的合金設計策略，把多種元素混合，製成新的合金。這種新合金被稱為「多主元素合金」（MPEAs）或「高熵合金」（HEAs），現出優異的力學性能，例如卓越的延展性和超強的強度。

高熵合金所具備的良好力學性能，來自嚴重的原子晶格變形（atomic lattice distortion）。這種變形是由於構成合金的多種主要元素分別具有不同原子尺寸、不同鍵合變化和晶體結構，當它們隨機混合時，令合金的原子晶格扭曲，繼而產生了「非均勻晶格應變效應」（heterogeneous lattice strain effect）。然而，非均勻晶格應變場（「應變場」是指物體內部某個區域的應變分布）難以量化和表述，因此究竟它對於透過「三維動態位錯」（three-dimensional dynamic dislocation）去強化合金所帶來甚麼影響，長期以來備受忽略，相關研究不多。

由城大機械工程學系楊勇教授和湖南大學方棋洪教授共同領導的研究團隊，最新完成的實驗和一系列的數學模擬，便證明了「非均勻應變場」可以通過新的異質應變誘導強化機制，提高高熵合金的力學性能，從而促進合金中的「強度-靭性」協同作用。他們的研究結果已經發表於科學期刊《The Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS）之上，題為〈Heterogeneous lattice strain strengthening in severely distorted crystalline solids〉。

「在材料科學與工程學的教科書之中，傳統上有四種塑性強化機制，包括：位錯強化、溶質強化、晶界強化和析出強化。這些教科書知識已經在大學裡向材料科學、機械工程和應用物理專業的大學生傳授了數百年。」楊勇教授續解釋說：「但現在我們通過實驗和數學模擬，發現了一種新的塑性強化機制，我們稱之為『非均勻晶格應變強化』。」

按傳統的強化機制，強度與延展性兩者難以同時提升，但這個新強化機制卻能促進了合金的「強度-塑性」協同作用，意味著科研人員終於可以同時提高「高熵合金」的強度和塑性。楊教授補充︰「科學界近期有不少新的發現，但這些新發現的背後機制仍在爭論之中，而這個新機制正好有助於解釋這些新發現，以及開發既堅固又具備延展性的新一代高熵金屬和陶瓷。」

在實驗中，科研團隊首先利用基於高分辨率透射電子顯微鏡 （TEM）的幾何相位分析（GPA）等技術，對高熵合金FeCoCrNiMn內部的晶格應變進行了詳細的測定。然後，他們進行了微米柱壓縮實驗，以研究合金的位錯（dislocations）如何在合金內滑動和交叉滑移。最後，該團隊通過結合實驗測量的晶格應變，進行了廣泛的「離散位錯動力學」（discrete dislocation dynamics，簡稱DDD）模擬。

_{影片展示通過離散位錯動力學（DDD）模擬，晶格應變場對單軸拉伸載荷下的「位錯動態演變」的影響； 左方不同顏色的線代表不同滑移面的位錯。影片來源：Li, Jia et al. /doi.org/10.1073/pnas.2200607119}

實驗結果顯示，晶格應變不僅可以限制位錯運動，從而加強了合金屈服強度（yield strength，即抵抗塑性變形的應力），還可以促進位錯交叉滑移以增強合金的塑性。研究結果證明了非均勻應變場對高熵合金的力學性能有顯著影響。這不單為探索高熵合金的高強度特性的起源提供了新的視角，也為先進的結晶材料的發展開闢了新的路徑。

研究團隊透過實驗和電腦模擬，揭示了實驗中所觀察到的「強度-延展性」協同作用背後的物理機制。楊教授說：「這項研究成果為克服傳統合金的『強度-延展性』兩難局面，提供了一個基本機制。」

論文第一作者為湖南大學李甲副教授和陳陽博士，以及香港城大赫全鋒博士（赫時為楊勇教授的博士生）。研究的其他合作者包括城大工學院傑出教授劉錦川教授、美國田納西大學Peter K. Liaw教授，以及中南大學劉詠教授。研究主要資金來源包括香港優配研究金和國家自然科學基金。