高或中熵合金(HEAs/MEAs)是具有相同原子元素组成的多主元素合金，其中一些已显示出破纪录的力学性能。然而，短期有序(SRO)和这些合金的特殊机械性能之间的联系仍然是难以捉摸的。据预测，由位错滑移引起的SRO局部破坏会导致熵和自由能增加的恢复状态，在基体和平面断层边界内创建更软的区域，从而增强延展性，但这尚未得到验证。
在此，来自美国加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室&宾夕法尼亚州立大学的Yang Yang和加州大学伯克利分校的Andrew M. Minor等研究者，将原位纳米力学测试与能量过滤四维扫描透射电子显微镜(4D-STEM)相结合，直接观察室温下单晶CrCoNi在循环力学加载过程中的再生。相关论文以题为“Rejuvenation as the origin of planar defects in the CrCoNi medium entropy alloy”发表在Nature Communications上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45696-z
在晶体材料中，塑性变形通过称为缺陷的结构变化发生，如位错、SFs（滑移带）和TBs（孪晶界）。这些缺陷的可逆性通常取决于缺陷形成能。当缺陷形成能高且为正时，系统倾向于在外部驱动力释放后移除缺陷，从而最小化其总自由能。当缺陷形成能相对较小的正值甚至为负值时，缺陷倾向于在外部驱动力释放后保持其原始形状，导致材料中的不可逆变化。
缺陷形成能对材料的变形机制和机械性能有重要影响。对于传统合金，其中只有一到两个主要元素和几个微量元素，当温度固定时，缺陷形成能通常是固定的。高熵合金（HEAs）/中熵合金（MEAs）的近期研究拓宽了这一观点，理论研究表明，短程有序（SRO）可以在同一材料中调节SF能量，使其在负到正的宽范围内变化，通过依赖于局部SF能量的多种主导变形机制的共存，稳定了纳米尺度的异质结构。HEAs/MEAs中SRO的存在降低了系统的熵和自由能，并且SF能量的增加通过实验观察得到确认。然而，这种SRO与晶体缺陷在HEAs/MEAs中的相互作用如何导致其卓越的机械性能，仍是一个基本问题。
矛盾的是，随着SRO的降低，系统将达到更高的能量状态。这种状态具有更低的SF能量，从本质上说更加延展。因此，HEAs/MEAs中SRO的破坏可以被视为一种更新形式，这在无序材料如大块金属玻璃（BMGs）中作为有益的结构转变被广泛讨论。当BMG被更新时，结构表现出比其放松状态更低的有序度和更高的能量状态，导致增强的延展性和韧性。在CrCoNi MEA系统中，Li等人预测，使用分子动力学（MD）模拟，仅需要三个Burgers向量的位错滑移就能完全破坏SRO。因此，预计位错的集体移动可以随机化原子排列并更新系统，由于SF能量较低，增加了HEAs/MEAs中长且稳定SFs的倾向。尽管已经进行了大量的努力以通过先进的表征技术理解HEAs/MEAs中的SRO，但仍缺乏实验证据显示HEAs/MEAs中的更新如何与产生HEAs/MEAs特有的长薄平面缺陷的一系列变形机制相联系。
为了解决这一关键的知识空白，迫切需要在受控应变条件下原位探测HEAs/MEAs中SFs和TBs的演化，结合高空间分辨率以解析单个缺陷和宽视场以进行准确的统计分析。然而，以前的技术如高分辨率透射电子显微镜（TEM）、TEM暗场成像或电子通道对比成像（ECCI）遇到了各种挑战，如视场受限、辐射损伤率高、空间分辨率低或无法映射应变分布或区分不同类型的平面缺陷。
在此，研究者将原位纳米力学测试与能量过滤四维扫描透射电子显微镜(4D-STEM)相结合，直接观察室温下单晶CrCoNi在循环力学加载过程中的再生。令人惊讶的是，堆垛层错(SFs)和孪晶界(TBs)在初始循环中是可逆的，但在1000个循环后变得不可逆，表明堆垛层错能量减少和再生。分子动力学(MD)模拟进一步揭示了在MEA中SRO的局部崩溃触发了这些SF可逆性变化。因此，HEAs/MEAs中的变形特征仍然是平面的，并高度局限于再生面，这类合金具有优越的损伤容限特性。
图1 原位能量滤波四维扫描透射电子显微镜(4D-STEM)与纳米力学测试相结合，直接观察了机械变形过程中层错(SFs)和孪晶界(TBs)的演变。
图2 CrCoNi MEA和纯Ni中SFs和TBs在1000次循环加载过程中的演变。时间(t)的定义见(q)。
图3 循环力学变形过程中CrCoNi MEA回弹的定量分析。
图4 MD模拟揭示了等原子CrCoNi MEA在循环加载过程中SRO和SFs的演变。
图5 原理图显示了MEAs和HEAs在变形过程中优越的损伤容限的纳米结构来源。
综上，研究者通过整合原位能量过滤4D-STEM、纳米力学测试和MD建模，我们的研究揭示和阐明了循环变形过程中CrCoNi MEA中SF动力学的可逆到不可逆转变。这一现象主要是由于SRO沿滑移面的破坏导致材料局部抗衰和复合体系的形成。该系统包括SRO减少的“软”区和SRO保持的“硬”区。有趣的是，正是SRO协调了变形机制的顺序，促进了多个机制的协同，从而提高了CrCoNi MEA的力学性能。确定优化MEAs/HEAs中SRO的程度和分布的策略，可能是协调局部再生过程的关键，从而提高其力学性能。（文：水生）
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