英雄所見不同！剛發表的《Nature》子刊，隔天就被正刊「打臉」？

導讀：高熵/中熵合金是一類具有強韌性組合的新型結構金屬合金。5月19日Nature Communications上的一篇文章發現NiCoCr合金中，短程有序結構（SRO）可以忽略不計，或者對屈服強度和錯配量沒有任何重要影響；並指出SRO很難測量和控制且沒有理論來預測SRO引起的強化。

而5月20日Nature正刊上的一篇文章，通過實驗在NiCoCr合金中直接觀察到了短程有序結構，這種獨特的結構可以起到很好的強化效果，提高合金的層錯能和硬度；可以通過調整熱力工藝參數來改變納米級的局部有序度，從而為調節中熵合金和高熵合金的機械性能提供新途徑。

高熵/中熵合金（HEA/MEA）是一類新型的結構金屬合金，具有諸如高強度、高斷裂韌性等性能組合。MEA面心立方（fcc）NiCoCr在等成分fcc合金的Cr-Mn-Fe-Co-Ni系列中屈服強度最高，並且在低溫下具有良好的斷裂韌性。NiCoCr的穩定堆垛層錯能（SFE）為22±4 mJ/m2，第一原理密度泛函理論（DFT）研究顯示，低溫下SFE為負，僅在300 K附近才可能為正。基於DFT，已提出NiCoCr中的化學短程有序（SRO）作為SFE為正的原因，但是對於SRO是否可以忽略不計或者是否對性能有不同影響仍有爭議。

瑞士聯邦理工學院（洛桑）的研究人員以NiCoCr合金為對象，研究了SRO對性能的影響。發現NiCoCr合金中，SRO可以忽略不計，或存在但對屈服強度和錯配量沒有任何重要影響。相關論文以題為「Yield strength and misfit volumes of NiCoCr and implications for short-range-order」於5月19日發表在Nature Communications。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16083-1

本研究中Ni-Co-Cr合金通過真空電弧熔煉製備。合金錠先冷軋50%，在1100℃均勻化50h，此時材料幾乎是隨機的織構，晶粒尺寸約100μm；二次冷軋80%，在900℃退火15min，此時獲得完全再結晶，幾乎隨機的織構微結構，平均晶粒尺寸為幾微米。

研究使用不同的退火溫度，預計會出現不同水平的SRO，進而影響屈服強度和硬度。如果能夠引起SRO並影響性能，則實驗數據不應遵循單一的Hall-Petch（HP）關係，但是實際數據確實僅遵循一種HP關係。NiCoCr屈服強度沒有顯示出SRO的任何重大影響結果。經冷軋後的合金分別在600和700℃下退火384h後，晶粒尺寸無變化，硬度也基本相同，說明這種條件下，任何SRO對機械性能均無可測量的影響。

圖1 關於NiCoCr中的屈服強度與晶粒大小的平方反比的文獻數據匯總（Hall-Petch縮放比例）

通過測量合金中Ni、Co和Cr的錯配量對比發現，NiCoCr中每種元素周圍的局部環境與無規二元合金沒有明顯區別，因此沒有發現SRO存在的證據。該結論不排除在某些加工條件下（例如，在500℃下退火）可能形成SRO。最近的一項研究確實報告了SRO的證據和NiCoCr強度的增強約50 MPa。該研究的工藝包括在1000℃退火120h後的爐溫冷卻，在T<600℃的慢爐冷卻過程中，這些材料中可能會產生SRO，這與文獻中在此溫度範圍內的SRO發展完全一致，而本研究在600℃和700℃進行更長時間的退火後，硬度也沒有變化。

圖2 在合金周圍的四個組成處測得的Ni-Co-Cr樣品的組成和原子體積

圖3Ni-Co和Ni-Cr二元合金的合金原子體積分別與Co和Cr組成（黑色符號）以及表觀體積用於Ni，Co和Cr組成（彩色線）的關係

圖4室溫實驗和DFT測得的各種fcc合金中Ni（綠色），Co（紅色）和Cr（藍色）的表觀體積

綜上所述，儘管在NiCoCr中獲得SRO可能仍然具有研究興趣，但是通過探索更廣泛類別的合金元素中的新成分，可以更好地實現在各種HEA/MEA中追求高性能合金的目的。例如，最近據報導NiCoV合金的強度約為400 MPa，幾乎是NiCoCr強度的兩倍。NiCoV的強度可以通過無規合金溶質強化理論進行預測，而SRO很難測量和控制且沒有理論來預測SRO引起的強化。

而在這篇文章發表第二天，美國加州大學的研究人員相關論文以題為「Short-range order and its impact on the CrCoNi medium-entropy alloy」發表在Nature正刊（點擊查看）。研究人員使用能量過濾的透射電子顯微鏡，觀察了CrCoNi中熵合金中短程有序結構特徵，提供了化學短程有序（SRO）結果的定量可視化，研究了該SRO對MEA/HEA材料力學行為的直接影響，發現這種數量級的增加會引起更高的堆垛層錯能（SFE）和硬度。研究人員直接成像了局域有序化，並展示了MEAs的變形行為如何與SRO程度直接相關。由於SRO對材料力學性能的影響，SRO是材料設計階段必須考慮的一個重要特徵，可以通過熱機械加工來調整納米級的局部有序度，從而為調節中熵合金和高熵合金的機械性能提供了新途徑。

論文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2275-z

雖然兩篇文章的觀點相差很大，

但或許這就是科研的魅力所在。

在探索中、爭鳴中不斷發展前進！

文：破風

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