Nature Communications：高熵合金中急促位错运动的起源

高熵和中等熵合金（HEA和MEA）是一类新的金属材料，与通常由单一主元素和低浓度次要元素组成的常规合金相比，高熵和中熵合金含有高浓度的多种元素并形成固溶体，HEA的高强度来源于位错在滑移过程中反复遇到钉扎，导致急促位错运动，对此来自德国达姆施塔特技术大学的Daniel Utt等人通过实验和模拟研究了CoCrFeMnNi HEA中位错钉扎的起源。首先通过原位TEM拉伸应变分析了CoCrFeMnNi HEA中位错的结构和滑移运动，如图1所示，图1a显示了代表性的TEM快照，显示了Shockley不全位错阵列的滑移运动，这些位错被呈现为暗带的层错（SF）， 通过追踪位错位置随时间的变化，可以更清楚地看到这种急动（图1b），环境温度下的热激活使位错明显更直（300K，图1d），在相同的几何结构中研究了二元CoNi合金中的位错（见图1e），这种材料中几乎没有位错钉扎点，在滑移过程中导致直位错段。结合EDS模拟进行了原子分辨率STEM EDS化学绘图和定量分析，以确定Shockley位错周围每个原子的浓度，如图2a-d所示，Cantor合金中Shockley位错的应变场没有元素偏析.图3a显示了GSF平面, 图3b显示了沿两条位移路径的相应能量分布, 虚线表示GSF曲线的最大梯度，对应于局部Peierls摩擦力, 最后，图3d显示了在16ps时间间隔内滑动期间领先部分位错的提取位置, 原子GSF计算中预测的最高局部钉扎点强度的位置。即使通过肉眼观察，所提出的钉扎点和强钉扎区域之间的良好匹配也是可辨别的。图中所示的三个例子表明，Co-Cr相互作用是强位错钉扎点的原因，图4b中给出的所得浓度表明，Cr的浓度在最强钉扎点附近增加。接下来，我们研究了钉扎点谱对引发位错滑移所需的临界力及其迁移率的影响，基于原子Peierls摩擦，可以计算为每原子GSF能量的最大梯度，位错所感受到的能量和力如图5所示，在纯金属中，位错在滑移过程中遇到的能量变化E非常小，如果向金属中加入低浓度的溶质，形成稀释的固溶体，这些溶质可以形成捕获位错的局部能量极小值，也可以形成阻挡位错前进的高能量势垒。这两种效应都会导致陡峭的能量梯度，因此需要通过较大的力（图5a），在HEA（图5b）中，基体中的能量变化已经更高，阻碍了位错滑移，有些环境会异常强烈地钉扎位错。这可能源于原子排列，其中能量最小值位于势垒附近，导致更陡的能量梯度。位错钉扎点的识别允许我们对不同的二元和三元合金的密度进行采样，并将其与CoCrFeMnNi HEA进行比较，当添加到Ni中时，Co和Cr都不会单独导致FP分布的显著变化。只有添加两者才能显著提高钉扎点密度和强度。进一步添加Fe和Mn不会导致FP光谱中的相关变化，因此只会降低强钉扎点的密度，在此假设下，我们的发现将与实验观察结果一致，其中CoCrNi始终显示出较高的硬度和拉伸强度，Ni甚至不是必要的成分，因为CoCr的FCC随机固溶体具有比CoCrNi更高的位错钉扎。

图1 Cantor合金中的位错线在现场TEM应变和原子模拟中的比较。b从连续TEM图像中提取的领头位错的位错线（在a中用“D”标记），c-e系列原子模拟结果表明，在低温（5K）和环境（300K）下，等摩尔Cantor合金在滑移过程中位错的强钉扎，以及在300K下CoNi合金中位错的弱钉扎。

图2 STEM EDS组成图围绕Shockley不全位错核心，a STEM HAADF图像，[110]区轴显示Shockley不全位错，b所选的布拉格滤波图像，c、 d位错核周围Cr、Mn、Fe、Co和Ni的EDS组成图显示均匀分布，具有随机波动。

图3 原子Peierls势垒作为位错钉扎的描述符，a、 b在滑移平面中投射到单个原子上的GSF能量，c表示滑动平面中的局部Peierls力，d滑动过程中领头位错不同快照的叠加，位错线紧密地在一起对应于长停留时间，即更强的局部钉扎。

图4 不同合金中原子钉扎点强度的分布及其与位错滑移和位错迁移临界力的关系。等摩尔CoNi、CoCr-Ni和CoCrFeMnNi中元素解析钉扎点强度FP的比较。Co和Cr的相互作用导致出现高密度的强钉扎点。b CoCrNi和CoCrFeMnNi合金中强（FP>FP，95）和弱（FP<FP，5）钉扎点周围第一和第二近邻壳层的平均成分，c在不同样品中引发位错滑移所需的临界力FC的相关性，d恒定作用力FC下位错的迁移率M与高强度钉扎点密度F的倒数相对应，

图5 位错所遇到的能量和摩擦力的示意图，a纯金属或稀合金中位错滑移距离d时的能量变化E，b显示HEA的能量E和力F的变化。相关成果以“The origin of jerky dislocation motion in high-entropy alloys”为题发表在nature communications上，论文第一作者为Daniel Utt，通讯作者为Sang Ho Oh、Gerhard Dehm和Karsten Albe。

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