《Science》出乎意料的優勢！從位錯角度揭示合金變形機理

導讀：本文揭示了非螺旋位錯以及眾多位錯滑移面出乎意料的優勢，為解釋類似合金的異常高溫強度的理論提供了依據。為合金設計策略提供了一個位錯認識視角，使材料能夠在不同的溫度範圍表現優異。

難熔多主元合金(MPEAs)是一種很有前途的材料，可以滿足很多結構應用要求，但在這些合金的體心立方(bcc)變體中，需要從根本上不同的途徑來適應塑性變形。近日，來自美國加州大學聖巴巴拉分校的Daniel S. Gianola等研究者，在bcc難熔多主元合金MoNbTi中展示了均勻塑性變形能力和強度的理想組合，這是由崎嶇的原子環境實現的，從位錯角度對變形進行了進一步闡釋。相關論文以題為「Multiplicity of dislocation pathways in a refractory multiprincipal element alloy」於10月2日發表在Science上。

論文連結：

https://science.sciencemag.org/content/370/6512/95

幾個世紀以來，材料進步的歷史一直被這樣的原則所固定：利用一種主要元素，並添加稀釋的合金元素，以達到感興趣的性能。過去的十年見證了合金設計策略的轉變，聚焦於多組分合金，被稱為多主元素合金(MPEAs)、複雜濃縮合金或最常見的高熵合金，就是這些材料的一個子類，其中一些材料表現出特殊的強度、延展性和耐損傷性組合。耐高溫合金是極具吸引力的候選材料，這是許多技術應用的要求，特別是在航空航天和發電部門。然而，這類材料的合金開發進展緩慢。

對具有熱穩定微觀結構和溫度不敏感特性的材料需求，激發了以體心立方(bcc)難熔MPEAs家族的發展。這些合金組成了難熔金屬元素的近乎等原子的混合物。特別是在高溫下所表現出的高強度非常吸引人，因為它們在某些情況下超過了最先進的鎳基高溫合金，後者在溫度超過1200℃時往往會失去強度。能夠在高溫下保持強度的合金能夠提高工作溫度，提高能源、航空航天和核應用的效率。具有bcc晶體結構的合金，包括鋼，隨處可見。這些合金，由於其經濟規模，是大量結構和技術的基礎。然而，傳統的bcc合金的力學性能嚴重依賴於溫度，通常表現為隨溫度降低而出現的韌脆轉變。

以上行為的起源與螺旋位錯的緩慢運動有關，螺旋位錯是一種線性晶體缺陷，由於位錯核心的原子鍵合的性質，以及/或由C、O和N等間隙元素的脆性而允許塑性應變調節。升高的溫度可使螺旋錯位產生非災難性的形狀變化，但會降低強度。與許多bcc純金屬和稀合金相比，一些bcc難熔MPEAs，如MoNbTaW和MoNbTaVW，強度隨著溫度的升高而逐漸下降，甚至在600~1000℃的中間溫度範圍內強度趨於穩定(圖1)。對表現出弱溫度依賴行為的bcc MPEAs的獨特性質的力學起源的有力理解，將極大地指導合金的設計原則。

本文中，研究者實驗中證明了MPEA MoNbTi合金與傳統的bcc位錯行為的顯著背離，該合金在低溫下表現出良好的強度和中等的溫度強度平臺，但密度卻相當低(ρ= 7.67 g/cm3)(圖1A和B)。此外，這三種元素的組合反映了所報導的難熔MPEAs中最常用的基塊之一，其中有韌性強的HfMoNbTiZr和MoNbTiV。研究者對位錯運動的觀察和原子計算揭示了非螺旋位錯以及位錯滑移的眾多滑移面出乎意料的優勢。這種行為為解釋類似合金的異常高溫強度的理論提供了依據。（文：水生）

圖1 等原子MoNbTi合金屈服應力的溫度依賴性。

圖2 納米壓痕引起的位錯。

圖3 透射模式下掃描電子顯微鏡中位錯彎曲的動態觀察。

圖4 在測量區域和測試應力值上的滑移活動的分布。

圖5 模擬MoNbTi中{110}、{112}和{123}面螺旋和邊緣位錯的LSR。

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