特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。
原创丨彤心未泯（米测 技术中心）
编辑丨风云
多主元素合金(MPEA)由许多高浓度的成分元素组成，原子比相等或接近相等，称为高熵合金，在探索更好的机械性能方面比传统稀合金具有更大的成分灵活性。体心立方(bcc)难熔多主元合金以多种难熔金属元素为成分，屈服强度大于1吉帕，是满足侵蚀性结构应用需求的有前途的材料。
然而，体心立方MPEA的应用仍存在以下问题：
1、室温下的超低拉伸延展性限制了bcc的加工性能
虽然主要由耐火元素组成的bcc耐火MPEA 在室温下很容易实现接近或超过1GPa的高屈服强度，但阻碍其加工性能和潜在应用的一个关键瓶颈是其低拉伸甚至无拉伸延展性。
2、如何打破耐火MPEA的强度和延展性之间平衡仍是具有挑战性的问题
bcc MEPA的强度-延展性之间存在权衡关系，这是因为直螺旋位错平面滑移主导塑性变形，缺乏位错相互作用和倍增应变硬化，而应变硬化对于维持离域塑性应变至关重要。否则，应变局部化和不稳定性会在屈服后立即发生。
有鉴于此，北京工业大学韩晓东、毛圣成等人提出了一种HfNbTiVAl10合金，它具有出色的拉伸延展性（约20%）和超高屈服强度（约1,390兆帕）。源于在HfNbTiV合金中添加铝，形成负混合焓固溶体，从而提高强度并有利于分层化学波动(HCF)的形成，所形成的合金具有最佳的协同效应。HCF跨越了亚微米到原子尺度，并产生高密度的扩散边界，作为位错运动的有效障碍。因此，依次刺激多功能位错配置，使合金能够适应塑性变形，同时促进实质性相互作用，从而引起两次不寻常的应变硬化率上升。因此，塑性不稳定性显着延迟，从而将塑性范围扩展为超大拉伸延展性。这项研究为实现MPEA中超高强度和大拉伸延展性的协同组合提供了宝贵的见解。
技术方案：
1、表征了HNTVA10合金的优异性能和微观结构
作者表明HfNbTiVAl10合金在室温下表现出优异的拉伸强度-延展性协同作用，HNTVA10合金中的CF具有三维、分层、异质结构。
2、探究了应变硬化率和位错密度之间的关系
作者绘制了归一化应变硬化率(θ)与合金真实应变的关系，表明积累到高密度的位错对维持HNTVA10合金简单拉伸应变的有效应变硬化有很大贡献。
3、解析了HNTVA10合金变形机制
作者通过TEM和STEM分析进一步探究了合金变形机制，表明M-CF-位错耦合增加了M-CF周围的局部应变，增强应变硬化的同时有助于提高延展性。
技术优势：
1、实现了出色延展性和超高强度的最佳协同
作者提出 HfNbTiVAl10合金由于形成负混合焓固溶体，具有出色的拉伸延展性（约20%）和超高屈服强度（约1,390兆帕）。
2、提出的负混合焓固溶体策略可实现MPEA强度和延展性协同
作者证明了所提出的负混合焓固溶体策略是通用的和可重复的，为实现MPEA中超高强度和大拉伸延展性的协同组合提供了宝贵的见解。
技术细节
HNTVA10合金表征
图 HNTVA10合金的拉伸性能以及与其他高性能bcc耐火MPEA的比较
图 HNTVA10合金中具有多级CFs的分层异质结构
应变硬化率和位错密度
图 张力下的归一化应变硬化率和位错密度
合金变形机制
作者通过TEM和STEM分析进一步探究了合金变形机制。首先，作者关注HCF与移动位错的相互作用对第一个θ上升的贡献。为了揭示M-CF对位错运动的影响，利用峰对算法分析了M-CF周围的弹性应变场分布，由于V原子的半径相对较小与Hf原子的半径不匹配，因此显示出较大的弹性应变，增强了对位错运动的抵抗力，导致位错相互作用增加。M-CF-位错耦合增加了M-CF周围的局部应变，在钉扎区域产生额外的阻塞效应，从而导致应变硬化。此外，这种增强的阻挡效应促进位错的交叉滑移作为位错倍增，因此增加了位错缠结的机会，提供了连续的塑性变形机制。这不仅可以增强应变硬化，还有助于提高延展性。
图 HNTVA10合金的变形机制
总之，作者开发了HNTVA10耐火MPEA，并在张力下表现出卓越的强度-延展性协同作用。这是通过负混合焓强化效应以及跨越多个尺度的独特分层化学异质性的相关生成来实现的。这些异质性在阻碍位错运动同时促进位错相互作用和积累，从而延迟塑性失稳方面发挥着至关重要的作用。负混合焓固溶体策略被证明是通用的和可重复的，并为其他可以同时提高强度和延展性的MPEA系统提供了启示。
参考文献：
An, Z., Li, A., Mao, S. et al. Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06894-9
