沈阳金属所卢磊Science，高熵合金，超强的！

高熵合金（HEA）是具有多个主要元素的合金，具有近无限的多组分相空间，可能导致不寻常的力学性能。一些单相HEA具有良好的强度和延展性、高工作硬化性和卓越的损伤容忍度，这些HEA通过调整其化学成分会产生固有的浓度不均匀性。

此外，设计由分级晶粒尺寸、纳米簇、多相等组成的空间异构微观结构也可以使HEA获得卓越的性能，类似于传统异质结构金属材料的性能。然而，传统金属材料的长期强度-延展性悖论在大多数HEA中仍然存在，那就是，无论是常规合金还是高熵合金，强度的增加是以延展性差为代价的。

HEA的强度和延展性之间的权衡是存在的，因为迄今为止报告的HEA的基本塑性变形特征和机理与常规金属相似。携带可塑性的基本线缺陷——即完全位错以及与高角度晶界（HAGB）或双晶界（TBs）等不同结构缺陷的相关相互作用，在传统金属中非常清楚。

值得注意的是，由于原子尺度上的化学短程（SRO）和空间可变堆叠层错能（SFE）的局部不均匀性，在HEA中发现了一些具有高度集中固溶体的不寻常的位错行为。例如，通过增加纳米（通常小于3 nm）的局部浓度波动或局部SRO，改变的位错滑移模式的摩擦阻力增强被认为有助于提高力学性能。

近日，沈阳金属所卢磊研究员在Science上发表成果，Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility，在本研究中，作者控制了梯度纳米尺度位错胞结构，该结构位于面心立方结构的稳定单相HEA中，从而提高了强度，而不会明显失去延展性。

这里提出了一种稳定的单相面心立方体（fcc）Al_0.1CoCrFeNi HEA中的异构梯度位错胞结构（GDS），该结构包含平均直径约为46 µm的随机定向等轴细晶粒（FG）。这种合金（Al_0.1CoCrFeNi）是一种经过深入研究的模型材料，局部变化的SFE为6至21 mJ/m²。

高熵合金的循环扭转可以在不降低延展性的情况下增强强度。循环扭转创造了从表面到内部的位错梯度和低角度晶界，在最初应用拉伸应变时，在GDS HEA中发现了意想不到的极高密度的微堆叠层错（SF）、孪晶成核和堆积主导的塑性变形。这些结构允许良好的延展性，同时有助于使合金变硬。

此外，SF诱导的可塑性和由此产生的精细结构，加上密集积累的位错，有助于塑性、增强强度和工作硬化。

这些发现为纳米梯度位错胞的性能调控提供了一个很有前途的范式，并推动了我们对HEA固有变形行为的基本理解。

图1. 典型的梯度位错结构的显微组织和结构梯度

图2. GDS Al_0.1CoCrFeNi HEA的力学性能

图3. GDS-H Al_0.1CoCrFeNi HEA在3%拉伸应变下的变形微观结构

图4. GDS-H Al_0.1CoCrFeNi HEA单轴张力期间，40%的拉伸应变和原位中子衍射测量的变形特征

卢磊，博士，女，中科院金属研究所研究员、博士生导师，中科院人才计划、国家杰出青年科学基金、国家级人才计划获得者，科技部“纳米科技”重点专项总体专家组成员，辽宁省“兴辽计划”创新领军人才等。

现任国际纳米材料、国际材料强度大会委员会委员；Acta Materialia 和Scripta Materialia 期刊编辑。主要从事纳米结构金属材料的制备、力学性能及变形机理的基础研究。发表SCI论文110余篇（其中包括Science 5篇，Nature 2篇）, 被SCI文章引用>15000次，获国内发明专利15项，国际发明专利6项。近年来在国际学术会议做大会、主题和邀请报告70余次。曾获中科院院长奖学金特别奖、全国优秀百篇博士学位论文奖、中国青年女科学家奖、2014-2016年获汤森路透“全球高被引用科学家”，2015-2020年获爱思唯尔“中国高被引学者”、2019-2020年获中国科学院“优秀导师奖”、2021年获“TMS Brimacombe Medal Award”等奖项。

Pan et al., Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility. Science 374, 984–989 (2021)

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8114