【新能源前线】Scripta Materialia：HfNbTiZr高熵合金的纳米压痕雪崩和位错结构

张熙熙 2年前 (2023-02-24) 1915浏览

一、导读

金属的塑性通常是由位错运动来调节的。根据位错线与伯格斯（Burgers）矢量的相互作用角，有两种典型的位错，即刃型位错和螺型位错。对于面心立方金属，刃型位错和螺型位错迁移率相似。而对于体心立方(BCC)金属，由于其独特的三维核心结构和运动高度依赖于温度，并依赖于结对的成核和膨胀，a/2<111>螺型位错滑动远慢于刃型位错。一般而言，螺型位错的滑移需要克服一个高能量势垒，而刃型位错则需要克服一个高能量势垒BCC金属。

对于BCC高熵合金(HEAs)，由多种合金元素引起的较大晶格畸变和化学浓度波动使得位错运动不同于普通BCC金属。清楚地认识BCC HEAs中独特的位错行为是理解和调整其可塑性的先决条件。近年来，人们对BCC HEAs中的位错行为进行了研究。结果表明，HEAs的浓度波动可以固定位错并促进BCC HEAs中位错的交叉滑移，这被认为是其高延展性的关键原因。HEAs的局部成分波动对刃型位错和螺型位错的扩展都起着双重固定作用。在低载荷作用下位错迁移率较低，而在高载荷作用下，螺型位错和刃型位错均能快速移动。HEAs中每个低阶滑移面之间的滑动阻力间隙小有利于产生多个滑移面和提高变形能力。HEAs中的浓度波有助于室温下自发的扭结对成核，因此扭结对的成核不再是螺型位错运动的限制因素，而扭结的膨胀和交叉扭结的失效才是限制因素。但现在仍未定论，也缺乏关键的实验证据。

纳米压痕是研究金属中位错的形核、运动和演变的有效方法。纯金属纳米压痕的应变爆发通常发生在弹性加载结束时，其特征是位错的形核和滑移。FeCoCrMnNi的初始塑性表明位错的成核是多原子协同运动的结果。仔细研究了MoNbTi压痕下的位错结构，发现了高阶滑移面的萌生和边缘位错的残留。然而，由于化学成分的波动和高度的晶格畸变，BCC HEAs纳米压痕中的应变爆发被认为是不可能的。

二、成果掠影

近日，西安交通大学韩卫忠教授用高温纳米压痕研究了难熔HfNbTiZr HEA的塑性。当负载达到某一临界值时，会发生异常的纳米压痕雪崩。在高载荷作用下位错滑动能力增强，产生了雪崩。此外，HEAs中螺型位错与边缘位错的相对迁移率随温度的增加而增加，但与简单的BCC金属相比，它对温度的依赖性较小。

相关研究工作以“Nanoindentation avalanches and dislocation structures in HfNbTiZr high entropy alloy”为题发表在国际顶级期刊Scripta Materialia上。