由香港城市大學(xué)（城大）的材料科學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)的一個科研團隊，最近發(fā)現(xiàn)了一種新機制，可以同時提高“高熵合金”的強度和延展性，解決這兩種特性經(jīng)常互相抵消、難以同時提升的兩難困局。這嶄新的發(fā)現(xiàn)為將來設(shè)計既堅固而又富韌性的新一代高熵合金和高熵陶瓷，帶來了重要的啟示。

傳統(tǒng)合金主要僅由一至兩種主要元素構(gòu)成，其強度與延展性“兩難全”是一個長期存在的困局，金屬強度的增加便往往意味著要犧性延展性（塑性），兩者難以并存。在過去十年，科學(xué)界便提出了一種新的合金設(shè)計策略，把多種元素混合，制成新的合金。這種新合金被稱為“多主元素合金”（MPEAs）或“高熵合金”（HEAs），表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，例如卓越的延展性和超強的強度。

高熵合金所具備的良好力學(xué)性能，來自嚴重的原子晶格變形（atomic lattice distortion）。這種變形是由于構(gòu)成合金的多種主要元素分別具有不同原子尺寸、不同鍵合變化和晶體結(jié)構(gòu)，當它們隨機混合時，令合金的原子晶格扭曲，繼而產(chǎn)生了“非均勻晶格應(yīng)變效應(yīng)”（heterogeneous lattice strain effect）。然而，非均勻晶格應(yīng)變場（“應(yīng)變場”是指物體內(nèi)部某個區(qū)域的應(yīng)變分布）難以量化和表述，因此究竟它對于透過“三維動態(tài)位錯”（three-dimensional dynamic dislocation）去強化合金所帶來什么影響，長期以來備受忽略，相關(guān)研究不多。

由城大機械工程學(xué)系楊勇教授和湖南大學(xué)方棋洪教授共同領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，最新完成的實驗和一系列的數(shù)學(xué)模擬，便證明了“非均勻應(yīng)變場”可以通過新的異質(zhì)應(yīng)變誘導(dǎo)強化機制，提高高熵合金的力學(xué)性能，從而促進合金中的“強度-靭性”協(xié)同作用。他們的研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表于科學(xué)期刊《The Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS）之上，題為〈Heterogeneous lattice strain strengthening in severely distorted crystalline solids〉。

“在材料科學(xué)與工程學(xué)的教科書之中，傳統(tǒng)上有四種塑性強化機制，包括：位錯強化、溶質(zhì)強化、晶界強化和析出強化。這些教科書知識已經(jīng)在大學(xué)里向材料科學(xué)、機械工程和應(yīng)用物理專業(yè)的大學(xué)生傳授了數(shù)百年。”楊勇教授續(xù)解釋說，“但現(xiàn)在我們通過實驗和數(shù)學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)了一種新的塑性強化機制，我們稱之為‘非均勻晶格應(yīng)變強化’。”

按傳統(tǒng)的強化機制，強度與延展性兩者難以同時提升，但這個新強化機制卻能促進了合金的“強度-塑性”協(xié)同作用，意味著科研人員終于可以同時提高“高熵合金”的強度和塑性。楊教授補充：“科學(xué)界近期有不少新的發(fā)現(xiàn)，但這些新發(fā)現(xiàn)背后的機制仍在爭論之中，而這個新機制正好有助于解釋這些新發(fā)現(xiàn)，以及開發(fā)既堅固又具備延展性的新一代高熵金屬和陶瓷。”

在實驗中，科研團隊首先利用基于高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）的幾何相位分析（GPA）等技術(shù)，對高熵合金FeCoCrNiMn內(nèi)部的晶格應(yīng)變進行了詳細的測定。然后，他們進行了微米柱壓縮實驗，以研究合金的位錯（dislocations）如何在合金內(nèi)滑動和交叉滑移。最后，該團隊通過結(jié)合實驗測量的晶格應(yīng)變，進行了廣泛的“離散位錯動力學(xué)”（discrete dislocation dynamics，簡稱DDD）模擬。

_{視頻展示通過離散位錯動力學(xué)（DDD）模擬，晶格應(yīng)變場對單軸拉伸載荷下的“位錯動態(tài)演變”的影響；左方不同顏色的線代表不同滑移面的位錯。視頻來源：Li, Jia et al. /doi.org/10.1073/pnas.2200607119}

實驗結(jié)果顯示，晶格應(yīng)變不僅可以限制位錯運動，從而加強了合金屈服強度（yield strength，即抵抗塑性變形的應(yīng)力），還可以促進位錯交叉滑移以增強合金的塑性。研究結(jié)果證明了非均勻應(yīng)變場對高熵合金的力學(xué)性能有顯著影響。這不單為探索高熵合金的高強度特性的起源提供了新的視角，也為先進的結(jié)晶材料的發(fā)展開辟了新的路徑。

研究團隊透過實驗和電腦模擬，揭示了實驗中所觀察到的“強度-延展性”協(xié)同作用背后的物理機制。楊教授說：“這項研究成果為克服傳統(tǒng)合金的‘強度-延展性’兩難局面，提供了一個基本機制。”

論文第一作者為湖南大學(xué)李甲副教授和陳陽博士，以及香港城大赫全鋒博士（赫時為楊勇教授的博士生）。研究的其他合作者包括城大工學(xué)院杰出教授劉錦川教授、美國田納西大學(xué)Peter K. Liaw教授，以及中南大學(xué)劉詠教授。研究主要資金來源包括香港優(yōu)配研究金和國家自然科學(xué)基金。

本文于 “香港城大研創(chuàng)” 微信公眾號發(fā)布。
Wechat ID: CityU_Research