北京工业大学，2024年首篇Nature！

体心立方难熔多主元素合金(MPEAs)由多种难熔金属元素组成，具有大于1吉帕斯卡的屈服强度，是一种很有前途的材料，可满足各种结构应用的需求。

然而，它们在室温下的低至无拉伸延性，限制了它们的加工性能和放大应用。

在此，来自北京工业大学的毛圣成&韩晓东等研究者提出了一种HfNbTiVAl₁₀合金，它具有显著的拉伸延展性(约20%)和超高的屈服强度(约1,390兆帕卡)。相关论文以题为“Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility”于2024年01月03日发表在Nature上。

多主元素合金(MPEAs)是由高浓度的许多组成元素以相等或接近相等的原子比例组成的，称为高熵合金，在探索更好的机械性能方面，比传统的稀合金提供了更大的组成灵活性。虽然主要由耐火元素组成的体心立方(bcc)耐火MEPAs在室温下很容易达到接近或超过1GPa的屈服强度，但阻碍其加工性能和潜在应用的一个关键瓶颈是其低至零的拉伸塑性。

这种强度-塑性的权衡并不奇怪，因为直螺位错平面滑移主导塑性变形，缺乏位错相互作用和增加应变硬化，这对维持非局部塑性应变至关重要。否则，屈服后立即发生应变局部化和不稳定，如颈缩。抑制这种不稳定性的一个主要策略是在广泛的区域内保持高水平(大于1)的归一化应变硬化率θ。

到目前为止，许多传统的方法，如孪生诱导塑性和相变诱导塑性，已被用于改善难熔MEPAs的应变硬化，通过调整其相稳定性，通常导致强度降低。一个典型的例子是Ta_xHfZrTi合金，通过使组成相亚稳态激发相变诱导塑性，达到了高达25%的拉伸延性，但屈服强度相对较低，只有几百兆帕斯卡。

最近的研究集中在探索化学非均质性，如短序和局部化学波动(CFs)，作为改善耐火MEPAs延性的一个有希望的途径。这些化学非均质性通过有效捕获位错来延缓位错运动，从而增加位错相互作用，并显著提高合金的应变硬化能力。

然而，这些非均匀性的强化效果被发现是有限的，因为它们的尺寸很小(小于3纳米)。因此，缺乏其他强化机制导致屈服强度相对较低，低于1 GPa。因此，如何通过协同提高耐火MEPAs的强度和抗拉延性来打破强度和延性之间的平衡，仍然是一个基础性和挑战性的问题。

在此，研究者报道了一种HfNbTiVAl₁₀合金(以下简称HNTVA10)，在室温下表现出优异的抗拉强度-塑性协同作用。图1a显示了退火后HNTVA₁₀合金的工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线。值得注意的是，该合金的屈服强度(σ_y)约为1,390 MPa，极限抗拉强度(σ_UTS)约为1,416 MPa，同时具有优异的延性，均匀延伸率(ε_u)约为20%。作为参考，研究者将这些结果与基准HfNbTiVA_l0和HfNbTiVAl₅合金(以下分别称为HNTVA₀和HNTVA₅)进行了比较，观察到强度和延性同时增加。图1b是HNTVA₁₀合金与其他优良bcc耐火MEPAs屈服强度与塑性的对比分析。

大多数高强度bcc耐火MEPAs具有较低的延性(ε_u < 5%)。尽管通过精巧的合金设计，在一些合金体系中已经实现了延性，但延性bcc耐火材料MPEAs的强度-延性关系显示出一种香蕉状的权衡，这在稀合金中通常会发生。

图1. HNTVA₁₀合金的拉伸性能及与其他高性能bcc耐火MEPAs的比较

图2. HNTVA₁₀合金中具有多层CFs的分层异质结构

图3. 归一化应变硬化速率和位错密度

图4. HNTVA₁₀合金的变形机理

综上所述，研究者开发了HNTVA₁₀型耐火MPEA，并在张力下显示出特殊的强度-延展性协同作用。这是通过负混合焓强化效应和相关的跨越许多尺度的独特分层化学异质性的产生来实现的。

这些异质性在延缓位错运动的同时促进位错相互作用和积累，从而延缓塑性不稳定。负混合焓固溶体路线被证明是通用性和可重复性的，并为其他MPEA体系提供了启发，可以同时提高强度和延性。

文献信息

An, Z., Li, A., Mao, S. et al. Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06894-9

原文链接：

http://www.nature.j.yyttgd.top/articles/s41586-023-06894-9

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北京工业大学，2024年首篇Nature！

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