近年來，物理冶金研究的新熱點和新舞臺聚焦在由多種主要合金元素組成的合金材料，也被稱為高熵(或中熵)合金 (high-entropy alloys and medium-entropy alloys, 以下簡稱 HEA），涌現(xiàn)出許多新的科學(xué)問題，展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)和物理性能。
與化學(xué)無序的傳統(tǒng)合金不同，HEA包含等原子比或近等原子比的多種主要合金元素，不同或相同原子彼此相遇的幾率非常大，就會產(chǎn)生化學(xué)相互作用，原子相互之間傾向于吸引或排斥，即近鄰原子間有偏好地選擇回避或聚集，就會形成化學(xué)短程有序 (chemical short-range order, CSRO)，所以CSRO是高熵合金本征的微結(jié)構(gòu)屬性。CSRO的尺度非常小，一般在亞納米尺度的原子第一近鄰和次近鄰原子層內(nèi)，并對強化、應(yīng)變硬化和塑性行為等力學(xué)性能起到重要的作用。
然而，想直接看到CSRO卻并非易事，難點在于CSRO尺度非常小，以及組成元素間原子序數(shù)相差小、衍射強度太弱。利用透射電子顯微鏡(TEM)技術(shù)，迄今尚未有清晰證據(jù)可信地表明高熵合金CSRO的存在，也不清楚CSRO元素分布特征和原子堆垛構(gòu)型。
近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所武曉雷研究組、西安交通大學(xué)馬恩研究組和清華大學(xué)朱靜研究組，通過TEM實驗和計算模擬，首次給出了中熵合金存在CSRO以及CSRO與位錯交互作用的直接觀察證據(jù)。相關(guān)論文以題為“Direct observation of chemical short-range order in a medium-entropy alloy”于2021年4月28日在線發(fā)表在Nature上。研究人員利用配備能量過濾(GIF)系統(tǒng)的雙像差矯正透射電子顯微鏡，綜合運用選區(qū)和微區(qū)電子衍射、高角環(huán)形暗場(HAADF)高分辨成像及其傅氏變換(FFT)和反傅氏變換(IFFT)、能量過濾暗場成像、以及原子尺度的化學(xué)元素面分布(EDS-Mapping)測試等研究手段，在中熵VCoNi合金中清晰地看到了化學(xué)短程有序(CSRO)，獲得了CSRO的電子衍射證據(jù)及其尺寸、組成元素及占位和三維構(gòu)型的信息。
研究者從三個方面觀察并證實了CSRO的存在。首先，在面心立方VCoNi中熵合金[112]晶帶軸的選區(qū)、微區(qū)以及HAADF高分辨傅氏變換的衍射譜中，均顯示在
處存在超點陣衍射，選區(qū)和傅氏變換衍射譜中超點陣衍射都是直徑很大的暈圓(diffuse disk)，表明在正空間所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是三維尺度非常小的顆粒，即CSRO區(qū)域。利用超點陣衍射的能量過濾暗場像與HAADF高分辨圖像的反傅氏變換成像，都觀察到均勻分布的CSRO，平均尺寸為0.5 nm，面積分數(shù)為20%。其次，元素面分布測試表明CSRO在相鄰{113}面上具有富V/富(Co/Ni)/富V三明治式的元素分布和占位特征。結(jié)合原子占位分析和點陣應(yīng)變的原子尺度幾何相分析(GPA)，給出了CSRO周期性晶格應(yīng)變以及正空間的晶體結(jié)構(gòu)。第三，設(shè)計并利用空間分布關(guān)聯(lián)系數(shù)來分析在不同距離時元素間傾向于聚集(相關(guān)系數(shù)為正)還是互斥(負)，發(fā)現(xiàn)相鄰原子柱中V-V傾向于規(guī)避，而V-Co和V-Ni則傾向于相鄰，證實了在(111)面上傾向于形成富V-貧V(即富Co/Ni)-富V的排列。進一步通過構(gòu)建主動學(xué)習(xí)(active learning)團簇展開(cluster expansion)模型及其蒙特卡洛模擬，發(fā)現(xiàn)V-V規(guī)避和V-Co/Ni近鄰可降低能量，是CSRO形成的驅(qū)動力。此外，GPA應(yīng)變圖譜證實了拉伸變形過程中CSRO與位錯發(fā)生強烈交互作用，表明CSRO對塑性變形和強化、應(yīng)變硬化的重要貢獻。
此工作首次直接實驗證實了中熵合金化學(xué)短程有序及其與位錯的交互作用，為理解高熵合金的基本微結(jié)構(gòu)特征以及設(shè)計高性能的高熵合金提供了新的思路。
論文的共同第一作者分別為陳雪飛(力學(xué)所博士研究生)，王琦博士(表面物理與化學(xué)重點實驗室)和程志英高級工程師(清華大學(xué)材料學(xué)院)。本研究得到國家重點研發(fā)計劃、基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目和中國科學(xué)院先導(dǎo)專項的資助。
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03428-z
圖1 中熵VCoNi合金化學(xué)短程有序的選區(qū)、微區(qū)衍射、能量過濾暗場像，高角環(huán)形暗場高分辨成像及其傅氏變換和反傅氏變換以及尺寸分布
圖2 化學(xué)短程有序的元素分布與占位以及空間分布關(guān)聯(lián)系數(shù)和蒙特卡洛計算模擬
圖3 化學(xué)短程有序與位錯的交互作用以及拉伸變形前后短程有序區(qū)域應(yīng)變演化
參考資料
[1] 力學(xué)所等在中熵合金化學(xué)短程有序研究中取得突破http://www.imech.ac.cn/xwdt/tpxw/202104/t20210428_6001105.html
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