悉尼大学廖晓舟教授，佐治亚理工学院朱廷教授Science Advances: 透射电镜原位观测塑性变形导致的高熵合金非晶化过程

引言

高熵合金是由多种元素以原子比在约5%到35%间组成的固溶体合金。许多高熵合金展现了优异的力学性能。例如CrMnFeCoNi 高熵合金（Cantor合金）在室温和低温下均具有高强度，高延展性以及良好的断裂韧性。优异的力学性能使得高熵合金具有巨大的应用前景。众所周知，材料的力学性质取决于材料的变形机制。因此，揭示并理解高熵合金优异力学性能背后的微观变形机理，将为未来设计具有优异力学性能的材料打下坚实的基础。

Cantor合金通常具有简单的面心立方结构。过去的一些报道中发现了在低温或剧烈变形过程中，Cantor合金会发生由面心立方向密排六方的相转变。同时在该合金中也报道了晶体向非晶体的转变。然而，迄今为止，这类相变的诱因与机理仍未被研究透彻。揭示此类固态非晶化的微观结构演化机理，将为揭开高熵合金优异力学性能背后的秘密，并且为进一步提升合金的力学性能提供有力的理论依据。

成果简介

近日，悉尼大学廖晓舟教授（共同通讯作者），安祥海博士（共同通讯作者），王昊（共同第一作者），佐治亚理工学院朱廷教授（共同通讯作者），陈登科博士（共同第一作者，现工作单位：现任上海交通大学力学系副教授），张寅及其他团队成员利用原位拉伸透射电镜实验与分子动力学模拟发现并解释了在超细晶CrMnFeCoNi 高熵合金拉伸变形过程中导致的固态非晶化。研究发现在非晶化的过程中，随着非晶相体积分数的增加，材料的显微结构逐渐由单一的晶体结构向片层状、点状晶体以及非晶体的混合结构演化，并最终转化成完全的非晶结构。这种固态非晶化来源于高熵合金内在高强度的晶格阻力与超细晶结构中晶界结构，对于裂纹尖端位错滑移的阻碍。导致裂纹尖端处高密度的位错堆积，从而提升局部的应力和应变能，最终触发了晶体向非晶体的转变。同时，在裂纹尾端观测到了非晶态纳米桥的形成。这些非晶化过程释放了大量应变能，从而为高熵合金提供了一种全新而有效的增韧机制。该研究成果以“Deformation-induced crystalline-to-amorphous phase transformation in a CrMnFeCoNi high-entropy alloy” 为题刊登在2021年3月31日出版的Science Advances上。

文献链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/14/eabe3105

图文导读

图1：超细晶高熵合金裂纹前端的微观结构

A)透射电镜明场像。在裂纹尖端附近观测到了三种微观结构，即非晶结构，非晶与晶相共存的点状结构和层状结构。插图是非晶结构的衍射花样。

B & C) 高分辨透射电镜照片分别展示了点状结构与层状结构的微观组织细节。

D) 原位拉伸实验中裂纹尖端附近的结构演化，在白色箭头处观测到了高密度的位错。

图2：对层状结构的分析

A) 高分辨下层状结构的形貌，观测到了四条晶体条带。插图为晶体条带1的傅里叶变换图。

B & C) 对于不同的 {111}滑移面进行的位错分析，位错位置由⊥符号标记。

图3：原位拉伸实验中点状晶体结构向非晶结构的转变

A- D) 随着应变的增大，裂纹尖端前点状结构中晶体结构逐渐非晶化。

图4：裂纹后端非晶态纳米桥的形成

A & B) 非晶态纳米桥。裂纹尖端附近有高密度的位错。

C) 高分辨下非晶态纳米桥。

D) 非晶态纳米桥的傅里叶变化图案，非晶环的不均匀强度表明了在非晶结构中仍保留了部分的有序结构。

图5：分子动力学模拟裂纹尖端非晶化的过程

A - F) 分子动力学模拟过程中的结构演化。

G & H) 图B黑色方框的细节图，在裂纹尖端附近存在着大量不同种类的位错。

I) 图C蓝色方框的细节图，裂纹前端纳米空洞的形核。

J) 图F紫色方框的细节图，展示了裂纹扩展中非晶态纳米桥的形成。

该项工作的合作者还包括悉尼大学Simon Ringer教授，刘晋侨，王安国，中南大学宋旼教授，东北大学田艳中教授以及中国科学院金属研究所张哲峰教授，孙士杰。

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