一、研究背景

高熵合金（High-entropy alloys）简称HEA，是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。由于高熵合金可能具有许多理想的性质，因此在材料科学及工程上相当受到重视。以往的合金中主要的金属成分可能只有一至两种。例如会以铁为基础，再加入一些微量的元素来提升其特性，因此所得的就是以铁为主的合金。以往的概念中，若合金中加的金属种类越多，会使其材质脆化，但高熵合金和以往的合金不同，有多种金属却不会脆化，是一种新的材料。

高熵合金，或具有多种主要元素的合金，具有近乎无限的多组分相空间，可导致异常的机械性能。一些单相HEA具有固有的浓度不均匀性，通过调整其化学复杂性，实现了良好的强度和延展性、高加工硬化性和卓越的损伤容限。此外，设计一种由分级晶粒尺寸、纳米团簇、多相等组成的空间非均质微结构，也可以使异质结构材料获得优异的性能，类似于传统异质结构金属材料。然而，传统金属材料的长期强度-延展性悖论对于大多数合金仍然存在。

高强度合金的强度和延展性之间存在权衡，因为迄今为止报道的高强度合金的基本塑性变形特征和机理与常规金属相似。携带塑性的基本线缺陷——即全位错和与不同结构缺陷的相关相互作用，如大角度晶界(HAGBs)或孪晶界(TBs)——在传统金属中被很好地理解。值得注意的是，由于原子尺度上化学短程有序(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合金中发现了一些不寻常的位错行为。例如，不断变化的位错滑移模式，以及通过增加纳米级(通常< 3纳米)的局部浓度波动或局部SRO而增强的对位错运动或聚集的摩擦阻力，被认为有助于提高机械性能。

   二、研究成果

与传统材料相似，大多数多组分高熵合金在获得强度的同时会失去延展性。近日，中科院金属所卢磊研究员课题组报道了可控地引入了面心立方结构的稳定单相HEA中的梯度纳米尺度位错胞结构，从而在没有明显延展性损失的情况下提高了强度。在施加应变时，样品级结构梯度诱导高密度微小堆垛层错(SFs)和孪晶的渐进形成，从大量低角度位错胞成核。此外，SF诱导的塑性和由此产生的精细结构，加上强烈积累的位错，有助于塑性、强度增加和加工硬化。这些发现为在纳米尺度上定制梯度位错胞的性质提供了一个很有前途的范例，并推进了我们对HEA内在变形行为的基本理解。

相关研究工作以“Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。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。点赞！

卢磊，女，中国科学院金属研究所研究员，现为中科院金属所材料的疲劳与断裂研究部金属及合金超细晶体材料的力学性能研究组负责人。现任国际纳米材料、国际材料强度大会委员会委员；Acta Materialia 和Scripta Materialia 期刊编辑。主要从事纳米结构金属材料的制备、力学性能及变形机理的基础研究。发表SCI论文110余篇（其中包括Science 5篇，Nature 2篇）, 被SCI文章引用>15000次，获国内发明专利15项，国际发明专利6项。近年来在国际学术会议做大会、主题和邀请报告70余次。曾获中科院院长奖学金特别奖、全国优秀百篇博士学位论文奖、中国青年女科学家奖、2014-2016年获汤森路透“全球高被引用科学家”，2015-2020年获爱思唯尔“中国高被引学者”、2019-2020年获中国科学院“优秀导师奖”、2021年获“TMS Brimacombe Medal Award”等奖项。1997年7月于中科院金属所获工学硕士学位，2000年6月于中科院金属研究所获工学博士学位，毕业后留在中科院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室工作。2010年9月，卢磊研究员在意大利罗马举行的第十届纳米材料大会（Nanostructured Materials 2010）当选纳米材料国际委员会（International Community of Nanostructured Materials, ICNM）委员，并作了题为Strengthening mechanism of Nanoscale twins的邀请报告。2012年12月11日，卢磊研究员凭借其在高强高导金属材料领域的研究成果获得第九届“中国青年女科学家奖” 。

卢磊的二哥就是中国最为著名的材料科学专家，中国科学院院士，中国科学院金属研究所原所长，上海交通大学材料科学与工程学院院长，中国九三学社中央委员会副主席--卢柯。太强了，堪称史上最强兄妹！中科院金属所卢柯院士团队十余年来持续开展纳米金属材料的制备、力学行为及其机理、应用探索等研究，提出金属材料的纳米孪晶强韧化机制，成为金属材料四大经典强化理论之外又一重要强化理论。这个发现突破了强度-导电性倒置关系并开拓了纳米金属材料一个新的研究方向。纳米孪晶强化原理已经在多种金属、合金、化合物、半导体、陶瓷和金刚石中得到验证和应用，成为具有普适性的材料强化原理。

   三、图文速递

图1. 梯度位错结构的典型微观结构和结构梯度

图2. GDS Al_0.1CoCrFeNi HEA的力学性能

作者提出了一种稳定的单相面心立方体（FCC）Al_0.1CoCrFeNi HEA中的异构梯度位错胞结构（GDS），该结构包含平均直径约为46 µm的随机定向等轴细晶粒（FG）。这种合金（Al_0.1CoCrFeNi）是一种经过深入研究的模型材料，局部变化的SFE为6至21 mJ/m²。作者在GDS HEA发现了意想不到的极高密度的微小堆垛层错、孪晶成核和堆积主导的塑性变形，这是在最初施加拉伸应变时发生的。与其他高强度合金相比，这一特性导致了具有吸引力的强度和延展性。

作者将屈服强度的显著增加归因于带有LABs的纳米级位错胞单元(图1)。具体而言，LABs对强度的贡献已被证明与传统HABs相当，并且在具有LABs的纳米叠层中观察到超高硬度。对于GDS-氢样品的最顶层GDS表面层，测量的超高压表明大量的低角度位错胞能有效地抵抗位错运动。这一趋势源于它们的结构特征，包括纳米尺度的尺寸和高密度的位错。作者认为，这一特征，加上最上面的GDS表面明显的连续硬化和整个GDS样品不寻常的加工硬化响应，表明梯度位错结构在应变时的强化和延展机制。

图3. GDS-H Al_0.1CoCrFeNi HEA在3%拉伸应变下的变形显微结构

图4. GDS Al_0.1CoCrFeNi HEA在单轴拉伸时40%拉伸应变下的变形特征和原位中子衍射测量

   四、结论与展望

在这项研究中，单相面心立方体（FCC）Al_0.1CoCrFeNi HEA的工程梯度LAB结构可以帮助激活一种机制来增强SF诱导的塑性，从而获得卓越的强度和延展性。在GDS HEA发现这种SF和孪晶行为对于获得HEAs固有的共同变形特征至关重要。它也广泛适用于其他HEA系统，特别是实现更好的性能和优越的性能，这对汽车、电站和航空系统等高级工程应用具有重要的基础和应用意义。为中科院金属所点赞！

   五、文献

文献链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8114

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