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金屬材料的塑性變形通常基于全位錯(cuò)的增殖運(yùn)動(dòng)、孿生、剪切或相變來(lái)協(xié)調(diào)。其中，位錯(cuò)常被視為塑性變形的基本載體，通過(guò)與其它結(jié)構(gòu)缺陷（如晶界、孿晶界、相界等）發(fā)生交互作用而強(qiáng)韌化材料；在大塑性變形時(shí)，則通過(guò)形成小角度位錯(cuò)界演變?yōu)榇蠼蔷Ы纾瑢?shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化。但位錯(cuò)結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)化效應(yīng)有限，尤其是不全位錯(cuò)主導(dǎo)的變形及強(qiáng)化行為鮮有報(bào)道。 

　　近年來(lái)，多主組元高熵合金因其近乎無(wú)限的成分區(qū)間、獨(dú)特的化學(xué)短程有序結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能而備受關(guān)注。但大量深入研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)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，原因是其塑性變形機(jī)制往往被認(rèn)為與傳統(tǒng)金屬材料并無(wú)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(lái)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。 

　　近期，金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心盧磊研究員團(tuán)隊(duì)與美國(guó)田納西大學(xué)、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家合作在這一科學(xué)難題研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果于9月23日在《科學(xué)》（Science）周刊上以First Release形式在線發(fā)布。其中，潘慶松副研究員、博士生張良學(xué)以及美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室馮瑞博士為共同第一作者。 

　　研究人員通過(guò)一種簡(jiǎn)單、高效的小角度往復(fù)扭轉(zhuǎn)梯度塑性變形技術(shù)，保持Al_0.1CoCrFeNi高熵合金棒材樣品中原始晶粒的形貌、尺寸和取向不變的同時(shí)，在晶粒內(nèi)部成功引入百納米尺度位錯(cuò)胞穩(wěn)定結(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。拉伸結(jié)果表明：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)還使其保持良好的塑性和穩(wěn)定的加工硬化。梯度位錯(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)合高分辨透射電子顯微技術(shù)、同步輻射X射線、原位中子衍射等多尺度微觀結(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(guò)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、滑移擴(kuò)展，其密度隨拉伸應(yīng)變?cè)黾佣黾?，逐漸演變成超高密度三維層錯(cuò)（和少量孿晶界）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)其塑性變形、細(xì)化初始位錯(cuò)結(jié)構(gòu)、阻礙其它缺陷運(yùn)動(dòng)而貢獻(xiàn)強(qiáng)度和加工硬化。這一新的層錯(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(chǎng)密不可分。該工作揭示了高熵合金特有的變形機(jī)理，也表明簡(jiǎn)單、易行的往復(fù)扭轉(zhuǎn)梯度塑性變形技術(shù)可廣泛用于梯度結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)筑與制備，具有重要的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用價(jià)值。 

　　該研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、遼寧“興遼英才計(jì)劃”及沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心等項(xiàng)目資助。 

　　該論文的DOI信息如下: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8114 

　　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0.7^o -4.8^o；(F) 對(duì)應(yīng)D圖單個(gè)晶粒內(nèi)跨過(guò)諸多位錯(cuò)胞的累積取向差僅為7^o。

　　圖2 梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)Al_0.1CoCrFeNi高熵合金的力學(xué)性能和變形機(jī)制。(A) 拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(B) 強(qiáng)塑積與歸一化屈服強(qiáng)度曲線，表明梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)高熵合金的綜合力學(xué)性能優(yōu)于相同成分的其它均勻結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)，同時(shí)也優(yōu)于文獻(xiàn)中其它梯度納米晶和梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬和合金；(C-D) 拉伸應(yīng)變?yōu)?%時(shí)典型變形結(jié)構(gòu)的HAADF-STEM結(jié)果表明梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的塑性變形通過(guò)獨(dú)特的超高密度亞十納米層錯(cuò)和少量孿晶界協(xié)調(diào)。