科學家破解高熵合金如何強與韌兼得

金屬材料的制備和使用淵源千年，是人們所用的最大量和最重要的材料之一。然而，金屬材料的強與韌往往不可兼得。

浙江大學高溫合金研究所博士丁青青、清華大學博士陳曉、喬治亞理工Ying Zhang、浙江大學電子顯微鏡中心教授余倩、喬治亞理工教授Ting Zhu、加州大學伯克利分校教授Robert Ritchie等打破傳統金屬中強塑性難以兼得的困境，研究揭示了高熵合金中晶格調控力學性能的特殊機制。與傳統的界面調控(包括晶界、相界、第二相界面等)以及團簇等精細結構調控相比，高熵合金中獨特的濃度波調控極精細并具有連續性，是一種可控和高效的材料強韌化方法。研究人員首先通過原子尺度的元素分布表征，揭示了高熵合金多種元素如何固溶在一起的重要疑問。通過研究發現了高熵合金中獨特的濃度波起伏，相比于傳統固溶體合金中在晶格尺度趨于平直的元素濃度波起伏，高熵合金中，即使是CrMnFeCoNi合金也存在各種元素的濃度在晶格間25%～15%的震蕩。這樣的濃度起伏會帶來納米尺度晶格阻力的震蕩和局域層錯能的變化。緊接著，通過在保證完全固溶的前提下增加元素間電負性和原子大小的差距，研究人員制備了納米尺度各種元素濃度起伏在60%～0之間的CrFeCoNiPd合金。

在高倍電鏡的放大下，研究人員看到，普通材料的位錯線是沿著固定的滑移帶像一線潮那樣奔涌向前，但是CrFeCoNiPd合金中，位錯線卻走得磕磕絆絆。科研人員把這樣的位錯移動稱為交滑移，位錯不沿著原有的晶面走，而是選擇了另一個晶面。這樣，位錯之間的相互作用就會增加，提供了更多變形的可能，同時也“呼喚”更強的外力來推動位錯往前走。

大量的交滑移作用，使得合金有更好的均勻變形能力又有更好的強度，魚和熊掌可以兼得了。

高熵合金強度與塑性兼得的特點以及優良的低溫性能，在未來航空、南北極等對溫度要求嚴苛的材料制備上大有可為，同時在防撞領域上也有重要應用。