近年來，多主組元高熵合金的問世打破了傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念，并因近乎無限的成分區(qū)間等優(yōu)勢彰顯出廣泛的應(yīng)用前景。但長期制約傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的強(qiáng)度-塑性倒置關(guān)系在高熵合金中依然普遍存在，根本原因是其塑性變形機(jī)制與全位錯(cuò)主導(dǎo)變形傳統(tǒng)金屬材料并無本質(zhì)差別。因此，迫切需要借助新穎的微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)筑來揭示高熵合金是否具有獨(dú)特變形機(jī)制，以豐富金屬材料的有效強(qiáng)韌化策略。
我們開發(fā)了一種簡單、高效的小角度往復(fù)扭轉(zhuǎn)梯度塑性變形技術(shù)，在保持Al0.1CoCrFeNi高熵合金棒材樣品中原始晶粒尺寸和形貌不變時(shí)，其內(nèi)部引入百納米尺度小角位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)。隨距樣品表面深度增加，位錯(cuò)胞尺寸逐漸增加，位錯(cuò)密度隨之降低，實(shí)現(xiàn)了位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)從樣品表面至芯部的梯度序構(gòu)分布和可控制備 (圖1)。研究發(fā)現(xiàn)這種梯度位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)不僅顯著提高材料屈服強(qiáng)度，同時(shí)還使其保持與粗晶結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)乃苄浴Ｌ荻任诲e(cuò)結(jié)構(gòu)高熵合金的強(qiáng)塑積-屈服強(qiáng)度匹配明顯優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道中相同成分的均勻或梯度結(jié)構(gòu)材料。結(jié)合多尺度微觀結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，發(fā)現(xiàn)高熵合金中梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)在塑性變形過程中激活了不全位錯(cuò)--層錯(cuò)誘導(dǎo)塑性變形機(jī)制。變形初期，亞十納米細(xì)小層錯(cuò)即從位錯(cuò)胞壁萌生、擴(kuò)展，其密度隨拉伸應(yīng)變增加而增加，逐漸演變成超高密度三維層錯(cuò)網(wǎng)格，直至布滿整個(gè)晶粒。超高密度細(xì)小層錯(cuò)/孿晶的形成有效協(xié)調(diào)塑性變形，細(xì)化初始位錯(cuò)結(jié)構(gòu)并阻礙其它缺陷運(yùn)動(dòng)而貢獻(xiàn)強(qiáng)度和加工硬化。這一全新層錯(cuò)強(qiáng)韌化機(jī)制不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的全位錯(cuò)強(qiáng)化，與高熵合金中空間波動(dòng)的低層錯(cuò)能、納米尺度位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)以及梯度序構(gòu)效應(yīng)引起的復(fù)雜應(yīng)力場密不可分。
相關(guān)工作發(fā)表在Science, 374 (2021) 984。
圖1. Al0.1CoCrFeNi高熵合金中典型梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。距離樣品表面1.2 mm內(nèi)(A, B)以及芯部 (G, H) 的截面EBSD結(jié)果顯示晶粒 (形貌、尺寸、取向)以及內(nèi)部位錯(cuò)結(jié)構(gòu)在空間上的分布特征；(C) 梯度位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)示意圖；(D-E) 表層晶粒內(nèi)典型位錯(cuò)胞TEM結(jié)果顯示平均位錯(cuò)胞尺寸為200 nm，胞壁取向差介于0.7o-4.8o；(F) 對應(yīng)D圖單個(gè)晶粒內(nèi)跨過諸多位錯(cuò)胞的累積取向差僅為7o。
