高或中熵合金(HEAs/MEAs)是具有相同原子元素組成的多主元素合金，其中一些已顯示出破紀錄的力學性能。然而，短期有序(SRO)和這些合金的特殊機械性能之間的聯系仍然是難以捉摸的。據預測，由位錯滑移引起的SRO局部破壞會導緻熵和自由能增加的恢複狀态，在基體和平面斷層邊界内建立更軟的區域，進而增強延展性，但這尚未得到驗證。
在此，來自美國加州伯克利勞倫斯伯克利國家實驗室&賓夕法尼亞州立大學的Yang Yang和加州大學伯克利分校的Andrew M. Minor等研究者，将原位納米力學測試與能量過濾四維掃描透射電子顯微鏡(4D-STEM)相結合，直接觀察室溫下單晶CrCoNi在循環力學加載過程中的再生。相關論文以題為“Rejuvenation as the origin of planar defects in the CrCoNi medium entropy alloy”發表在Nature Communications上。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45696-z
在晶體材料中，塑性變形通過稱為缺陷的結構變化發生，如位錯、SFs（滑移帶）和TBs（孿晶界）。這些缺陷的可逆性通常取決于缺陷形成能。當缺陷形成能高且為正時，系統傾向于在外部驅動力釋放後移除缺陷，進而最小化其總自由能。當缺陷形成能相對較小的正值甚至為負值時，缺陷傾向于在外部驅動力釋放後保持其原始形狀，導緻材料中的不可逆變化。
缺陷形成能對材料的變形機制和機械性能有重要影響。對于傳統合金，其中隻有一到兩個主要元素和幾個微量元素，當溫度固定時，缺陷形成能通常是固定的。高熵合金（HEAs）/中熵合金（MEAs）的近期研究拓寬了這一觀點，理論研究表明，短程有序（SRO）可以在同一材料中調節SF能量，使其在負到正的寬範圍内變化，通過依賴于局部SF能量的多種主導變形機制的共存，穩定了納米尺度的異質結構。HEAs/MEAs中SRO的存在降低了系統的熵和自由能，并且SF能量的增加通過實驗觀察得到确認。然而，這種SRO與晶體缺陷在HEAs/MEAs中的互相作用如何導緻其卓越的機械性能，仍是一個基本問題。
沖突的是，随着SRO的降低，系統将達到更高的能量狀态。這種狀态具有更低的SF能量，從本質上說更加延展。是以，HEAs/MEAs中SRO的破壞可以被視為一種更新形式，這在無序材料如大塊金屬玻璃（BMGs）中作為有益的結構轉變被廣泛讨論。當BMG被更新時，結構表現出比其放松狀态更低的有序度和更高的能量狀态，導緻增強的延展性和韌性。在CrCoNi MEA系統中，Li等人預測，使用分子動力學（MD）模拟，僅需要三個Burgers向量的位錯滑移就能完全破壞SRO。是以，預計位錯的集體移動可以随機化原子排列并更新系統，由于SF能量較低，增加了HEAs/MEAs中長且穩定SFs的傾向。盡管已經進行了大量的努力以通過先進的表征技術了解HEAs/MEAs中的SRO，但仍缺乏實驗證據顯示HEAs/MEAs中的更新如何與産生HEAs/MEAs特有的長薄平面缺陷的一系列變形機制相聯系。
為了解決這一關鍵的知識空白，迫切需要在受控應變條件下原位探測HEAs/MEAs中SFs和TBs的演化，結合高空間分辨率以解析單個缺陷和寬視場以進行準确的統計分析。然而，以前的技術如高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）、TEM暗場成像或電子通道對比成像（ECCI）遇到了各種挑戰，如視場受限、輻射損傷率高、空間分辨率低或無法映射應變分布或區分不同類型的平面缺陷。
在此，研究者将原位納米力學測試與能量過濾四維掃描透射電子顯微鏡(4D-STEM)相結合，直接觀察室溫下單晶CrCoNi在循環力學加載過程中的再生。令人驚訝的是，堆垛層錯(SFs)和孿晶界(TBs)在初始循環中是可逆的，但在1000個循環後變得不可逆，表明堆垛層錯能量減少和再生。分子動力學(MD)模拟進一步揭示了在MEA中SRO的局部崩潰觸發了這些SF可逆性變化。是以，HEAs/MEAs中的變形特征仍然是平面的，并高度局限于再生面，這類合金具有優越的損傷容限特性。
圖1 原位能量濾波四維掃描透射電子顯微鏡(4D-STEM)與納米力學測試相結合，直接觀察了機械變形過程中層錯(SFs)和孿晶界(TBs)的演變。
圖2 CrCoNi MEA和純Ni中SFs和TBs在1000次循環加載過程中的演變。時間(t)的定義見(q)。
圖3 循環力學變形過程中CrCoNi MEA回彈的定量分析。
圖4 MD模拟揭示了等原子CrCoNi MEA在循環加載過程中SRO和SFs的演變。
圖5 原理圖顯示了MEAs和HEAs在變形過程中優越的損傷容限的納米結構來源。
綜上，研究者通過整合原位能量過濾4D-STEM、納米力學測試和MD模組化，我們的研究揭示和闡明了循環變形過程中CrCoNi MEA中SF動力學的可逆到不可逆轉變。這一現象主要是由于SRO沿滑移面的破壞導緻材料局部抗衰和複合體系的形成。該系統包括SRO減少的“軟”區和SRO保持的“硬”區。有趣的是，正是SRO協調了變形機制的順序，促進了多個機制的協同，進而提高了CrCoNi MEA的力學性能。确定優化MEAs/HEAs中SRO的程度和分布的政策，可能是協調局部再生過程的關鍵，進而提高其力學性能。（文：水生）
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