Nature子刊：CrCoNi中熵合金的3D孪晶网络结构产生的强度-塑性-韧性组合优异性能及其位错机制

【引言】
在结构材料中，强度和塑韧性都是非常重要的性能指标，且都与晶粒内部缺陷及其位错运动有关。然而对于金属材料，通常情况下，其强度和塑韧性是很难兼而有之的。这是因为材料的塑性一般是依赖于晶粒内的位错的有效运动，然而其运动易与其他位错及缺陷如溶质原子，晶界，层错等的交互作用影响，当这种交互作用较强时，易成为位错运动的阻碍，从而降低其塑性而表现出较强的强度，当交互作用较弱时则相反。然而，本文发现的CrCoNi中熵合金的3D分层孪晶网络结构可以很好的解决这一问题，在保证获得高强度的同时，也拥有优良的塑性和韧性。

【成果简介】
近日，由来自浙江大学材料科学与工程系的余倩教授、浙江大学及美国匹兹堡大学的Scott X. Mao教授以及加州伯克利分校的Robert O. Ritchie教授（共同通讯作者）在Nature Communications发表了一篇名为“Dislocation mechanisms and 3D twin architectures generate exceptional strength-ductility-toughness combination in CrCoNi medium-entropy alloy”的文章。在该文中，该课题组通过对三孪生系统结构的CrCoNi中熵合金进行变形激活，获得了一种3D分层孪晶网络结构，可获得优异的强度-塑性-韧性组合性能，突破了强度和塑韧性难以调和的内在矛盾，并分析得到了其内在的作用机制。

【图文导读】

图1.CrCoNi合金的层错及其第一性原理计算能量值

（a-d）分别显示的是原始体心立方结构（fcc），内在堆垛层错，两层外在层错和三层孪晶的原子结构示意图。

（e）图e显示的是紧密堆叠的(111)面俯视图。

（f）图f显示的是图e中沿<112>位移路径方向的能量势垒，其引起了两种类型的层错以及一种晶界。路径的最小位移值由肖克利部分位错的伯格矢量bs表示为1/6<112>。在这的γ_isf和γ_es分别表示为图b中内在堆垛层错能的和图c中外在堆垛层错能。γus表示为不稳定的堆垛层错能，γut则表示着初始孪晶界形成势垒。当克服γ_ut势垒后，则随后所需产生多层孪晶的能量（如γ_ut^，）则比γ_ut更小。这些沿位移路径方向的势垒值是通过第一性原理NEB方法计算获得的。【注：<112>中的2表示-2，通常应写成如图e、f中所示形式，因特殊原因无法表示上划线，故加粗以表示该为负】

表1.CrCoNi中熵合金通过第一性原理计算得到的各种层错能值

 通过第一性原理计算得到的各种层错能值。γ_isf：内在堆垛层错能；γ_us：不稳定的堆垛层错能；γ_TB：孪晶界能；γ_ut：孪晶界形核能。

图2.CrCoNi合金的孪晶结构TEM图

（a）图a显示的是CrCoNi合金晶粒中的分层孪晶结构TEM明场像图，标尺1um。

（b）图b显示的是在孪晶界上的位错阵列的低倍TEM明场像图，标尺500nm。可以看到，位错阵列可以在孪晶界附近，或者共格孪晶界及共格与非共格孪晶界交叉区域形成。

（c）图c显示的是沿<110>电子束方向得到的的选区电子衍射花样，该选区为来自图a中的共格孪晶界，其中出现的额外衍射斑点属于孪晶标尺500nm，。

（d）图d显示的是来自图a孪晶1中的共格和非共格孪晶界的高角环状暗视野扫描透射电镜STEM图像，可以看到其为9R结构，标尺500nm。

图3.在包含和不包含孪晶界下的原位压缩CrCoNi合金微柱

 (a)图a显示的是在包含孪晶界下的原位压缩CrCoNi合金微柱的低倍TEM暗场像，a中插入部分为微柱的选区电子衍射图花样。可以分辨出含有两种类型的衍射斑点，分别为基体以及孪晶，表明有孪晶的存在。孪晶界由白色虚线构成，区域轴为[ 110 ]，标尺为200nm。

(b)图b显示的是在不包含孪晶界下的原位压缩CrCoNi合金微柱的低倍TEM暗场像，a中插入部分为微柱的选区电子衍射图花样，可以看到没有出现孪晶 (g=[220])，标尺为200nm。

(c)图c为图a与图b两种条件下微柱的工程应力-位移曲线，可以看到，在保证其他条件相同的条件下（如尺寸），含有孪晶界的CrCoNi合金微柱抗拉强度，塑性比不包含合金微柱的要高得多，说明其强度和塑性的提升主要归结于孪晶界的作用。

图4.原位成像形变过程中的位错和孪晶序列

（a）图a分别显示的是孪晶结构的形成和位错在孪晶界间的滑移动力学过程的TEM图像序列，标尺为200nm。可以看到，在拉伸变形过程中，出现了多种类型的形变孪晶，形成了分层孪晶结构。

（b）图b显示的是在共格晶界上的成对部分位错的滑移。右边插入的衍射花样为由于部分位错从体心立方fcc滑移到密排六方hcp上引起孪晶界上的层错变化，标尺为200nm。

【小结】

本文通过对三孪生系统结构的CrCoNi中熵合金进行一定条件的变形激活，获得的3D分层孪晶网络结构，具有强度-塑性-韧性组合优异性能，并通过相应的原位拉伸实验，借助TEM等表征手段及第一性原理计算，揭示了其内在作用机理：该结构内部存在的孪晶界可引起位错在孪晶界处的阻碍和塞积，使其强度得以提高；同时，特有的三维孪晶网络结构可以提供位错滑移，交叉滑移及在孪晶界--基体交界处交互作用等所需的多重运动路径以便位错的轻易滑移，从而保留良好的塑性；并且在连续变形过程中，该结构仍可以很好地保持稳定，使作用过程持续进行。总之，这一新机制的提出为未来新材料的研发具有重要指导意义。

文献链接：Dislocation mechanisms and 3D twin architectures generate exceptional strength-ductility-toughness combination in CrCoNi medium-entropy alloy（Nat. Commun., 2017，Doi:10.1038/ncomms14390）

该文献由材料人编辑部金属材料学术组彭黄涛供稿。点我加入材料人编辑部。

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