导读：大多数多组分高熵容许材料(HEAs)的延展性随强度的增加而增加，与传统材料相似。金属所沈阳材料科学国家研究中心卢磊研究员团队与美国田纳西大学、橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室的科学家合作在这一科学难题研究方面取得重要进展，在一个稳定的单相面心立方HEA中可控地引入了新型梯度纳米级位错-细胞结构，这导致了强度的提高而没有损失明显的延展性。样品级结构梯度诱导在早期拉伸时，从大量的低角度位错胞成核，逐步形成高密度的微小堆垛层错和孪晶。此外，层错诱导的塑性和由此产生的精细结构，加上密集堆积的位错，有助于塑性额外加强和加工硬化。我们的发现为梯度位错胞在纳米尺度上设计性能提供了一个有前景的模式，并推进了我们对HEAs内在变形行为的基本理解。

近期，相关研究结果于9月23日在《科学》（Science）周刊上以First Release形式在线发布。其中，潘庆松副研究员、博士生张良学以及美国橡树岭国家实验室冯瑞博士为共同第一作者。 

高熵合金 (HEA) 或多主要元素合金具有近乎无限的多组分相空间，可产生有趣的机械性能。良好的强度和韧性，高加工硬化，和出色的损伤容限已经在一些具有通过调整其化学复杂性。此外，工程空间多相微观结构由分级粒度，纳米簇，多相位等的还可以允许HEA与实现优异的性能，类似于具有在传统的异质结构的金属材料已经实现。然而，对于大多数 HEA 来说，传统金属材料的持久强度-延展性悖论仍然存在 。

HEA 的强度和延展性之间存在权衡，因为迄今为止报道的 HEA 的基本塑性变形特征和机制与传统金属的相似。具有可塑性的基本线缺陷，即全位错和与不同结构缺陷的相关相互作用，例如大角度晶界 (HAGB) 或孪晶界 (TB)，在传统金属中得到了很好的理解 。有趣的是，由于在原子尺度上具有化学短程有序 (SRO) 和空间可变堆垛层错能 (SFE) 的局部不均匀性，在具有高浓度固溶体的 HEA 中发现了一些不寻常的位错行为。

本文在稳定的单面心立方 (fcc) 相 Al 0.1 CoCrFeNi HEA 中提出了异质梯度位错胞结构 (GDS)，其中包含平均尺寸约为 46 μm 的随机取向的等轴细晶粒 (FG)。这种合金是一种经过充分研究的模型材料，具有 6 - 21 mJ/m 2的局部变化 SFE 。在早期拉伸应变时，我们在 GDS HEA 中发现了意外且极高密度的微小堆垛层错 (SF)、孪晶形核和堆积主导的塑性变形。与其他 HEA相比，这一特征导致了有吸引力的强度和延展性。

图 1梯度位错结构典型微观结构及结构梯度  GDS-H Al 0.1 CoCrFeNi HEA 的横截面 EBSD ( A , B ) 图像以20° 的扭转角幅度进行循环扭转加工，显示了晶粒尺度形态、取向 (A) 和三个的分布与核心（G，H）相比，在距表面约 1.2 mm 深度内具有不同取向角（B）的边界类型（即 HAGB、LAB 和 TB ）。（C）具有梯度分布的低角位错结构的 GDS 示意图。顶面位错结构的相应明场 TEM 图像 ( D) 的处理样品（以 A、C 表示）。图 1D中每个细胞壁的错误取向角是使用TEM 中的电子加工衍射技术 ( 28 )测量并显示在 (D ) 中的。(D) 中左上角的插图是相应的 SAED 模式。（E）典型位错单元结构的近距离视图。( F ) 沿着 (D) 中的白色实线箭头，在 GDS-H HEA 最上表面的多个单元中，相对于原点测量的错误方向角变化图。

我们比较了具有相同成分的 HEA和其他现有的具有梯度结构的高性能金属和合金的 GDS 样品的屈服强度以及强度和延展性的乘积。强度通过其相应材料的杨氏模量归一化。以这种方式绘制时，我们发现 GDS HEA 实现了均匀拉伸伸长率和强度的最佳组合。毫不奇怪，具有高密度 HAGB 的常规梯度纳米晶粒金属和合金不可避免地会遭受结构粗化，例如伴随着粗化（有助于塑性）和由此产生的软化的 GB 迁移，尽管这显然牺牲了它们的强度和稳定性以一定程度上。相比之下，在具有空间梯度 LAB 的稳定单 fcc 相 GDS HEA 中实现了具有高稳定加工硬化的单调强化，由上述 SF 和孪晶行为贡献，并逐渐结构细化。

图 2 GDS Al 0.1 CoCrFeNi HEA 的机械性能。( A ) GDS、CG 和 FG 样品的拉伸工程应力-应变关系。( B ) GDS 样品与其均质成分的加工硬化率和真实应变关系。（C）循环扭转加工后和40％拉伸应变后GDS样品从顶面到内部距离的测量显微硬度变化。( D ) 强度和延展性与屈服强度的乘积由 GDS Al 0.1 CoCrFeNi HEA的杨氏模量归一化，与具有均匀和梯度晶粒结构的对应物以及具有梯度分布的纳米晶粒和纳米孪晶的其他金属和合金相比文学 ( 10 ,36 , 52 – 55 )。(C, D) 中的误差线代表 10 次独立硬度测量和 3 次以上独立拉伸测试的标准偏差。GNG 和 GNT 分别表示梯度纳米颗粒和纳米孪晶；TWIP 表示孪晶诱导的可塑性。

图 3 梯度位错结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力学性能和变形机制 横截面 EBSD ( A , B ) 图像显示晶粒尺度形态、取向 (A) 和距表面约 1.2 mm 深度内具有不同取向角 (B) 的三种边界的分布，与张力后的核心（H，I）。相应的 SEM ( C , D )、明场 TEM ( E ) 图像显示了密集的数十微米长的 SF 束的广泛存在，由白色箭头表示，穿过多个位错单元结构。(E) 中的插图是相应的 SAED 图案，其中包含来自 SF 的平行条纹（沿 [111] 方向，用白色箭头表示）。( F) 像差校正的高角度暗场扫描透射电子显微镜 (HAADF-STEM) 图像取自位错密度相对较低的位错胞壁附近的束，揭示了超高密度的 SFs 和 TBs。（G）特写 HAADF-STEM 图像，展示了许多纳米级 SF 。(FG) 中的实线和虚线分别表示 SF/TBs 和 (111) 平面。( J - K ) 样品核心处相应的 SEM (J) 和 TEM (K) 图像呈现平面滑移诱导的平行位错形态。(C) 中带有双箭头的白线表示加载轴 (LA)。

图 4 GDS-H Al 0.1 CoCrFeNi HEA单轴拉伸过程中 40% 拉伸应变和原位中子衍射测量的变形特征。（A - B）全晶粒内部高密度 SF 束（由白色箭头表示）的 SEM 和 TEM 图像。（C）典型的原子分辨率 HAADF-STEM 图像显示超高密度的 SFs 和 TBs 与倾斜的短 SFs。(C) 中的实线和虚线分别表示 SF/TBs 和 (111) 平面。( D ) GDS-H 和 FG 样品中 (111)//LA 和 (222)//LA 晶粒的晶格应变与通过原位中子衍射实验测量的工程应变的演变。( E) 作为 GDS-H 和 FG 样品中工程应变函数的计算 SF 概率 (SFP) 的变化。

总之，我们的观察表明，单个 fcc 相 Al 0.1 CoCrFeNi HEA上的工程梯度 LABs 结构可以帮助轻松激活 SFIP 强化机制，从而获得出色的强度和延展性。在 GDS HEA 中发现这种 SF/孪晶行为对于获得 HEA 固有的共同变形特征至关重要，并广泛适用于其他 HEA 系统以实现更好的性能和卓越的性能，这对于高级工程具有重要的基础和应用重要性应用，例如汽车、发电站和航空系统。