面對日益嚴酷的使用條件，需要不斷提高材料的變形能力，并要求不造成持續(xù)的損傷，同時保持高強度。滿足這些條件的主要候選材料是某些高熵合金（HEAs），它們具有非凡的加工硬化能力和韌性。

近日，來自美國加州大學(xué)伯克利分校的Robert O. Ritchie & 美國加州大學(xué)圣迭戈的Marc A.Meyers等研究者，通過對等原子CrMnFeCoNi進行模壓，隨后進行準靜態(tài)壓縮或剪切動態(tài)變形，觀察到由層錯、孿晶、由面心立方向六邊形密排結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的致密結(jié)構(gòu)，尤其值得注意的是非晶化。相關(guān)論文以題為“Amorphization in extreme deformation of the CrMnFeCoNi high-entropy alloy”發(fā)表在Science Advances上。

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabb3108

金屬具有永久變形的能力，這種特性被稱為塑性。這表明它們可以被加工成管材，或其他復(fù)雜形狀而不會斷裂。這種特性對金屬及其合金的使用具有深遠的影響。在使用過程中裂紋尖端塑性變形而鈍化，從而防止裂紋的形成和擴展。金屬表現(xiàn)出這種特性的機制已經(jīng)研究100多年了，并且有一套成熟的塑性理論，其基礎(chǔ)是三種主要機制：位錯、孿晶和相變。在非常罕見的情況下，第四種機制也能起作用，即通過無定形破壞晶體結(jié)構(gòu)。本文首次在等原子高熵合金（HEA）中觀察到這種非晶變形。

HEAs由Cantor等人、Yeh等人于2004年獨立開發(fā)；某些合金，特別是以面心立方（fcc） crconi為基的HEAs，已被證明具有出色的強度和延性，這些性能導(dǎo)致非常高的斷裂韌性，即抗斷裂能力。因此，這些合金有許多重要的應(yīng)用前景，具有潛在的革命性技術(shù)發(fā)展。尤其令人印象深刻的是，這種韌性在低溫下仍能保留，甚至增強，而現(xiàn)有的絕大多數(shù)金屬合金的韌性隨著溫度的降低而逐漸降低。這些HEAs優(yōu)異的低溫性能表明，它們在極端沖擊載荷下具有更大的潛在彈性，由于高應(yīng)變速率和低溫溫度通常是結(jié)合在一起的，在這兩種情況下熱激活是有限的。

基于CrCoNi的HEAs表現(xiàn)出多種變形途徑：位錯介導(dǎo)的塑性、孿晶誘導(dǎo)的塑性，以及在特定合金中相變誘導(dǎo)的塑性（TRIP）。在三元CrCoNi合金和非等原子HEAs中，由于其明顯較低的堆垛層錯能，已經(jīng)報道了涉及fcc向六方密排（hcp）轉(zhuǎn)變的TRIP效應(yīng)；然而，到目前為止，還沒有明確的證據(jù)表明在經(jīng)典等原子CrMnFeCoNi Cantor HEA中存在這樣的變形誘導(dǎo)（在環(huán)境壓力下）相變。

在此，研究者提供的分析證據(jù)表明，在非常高的應(yīng)變率加載下，Cantor合金中可以觀察到TRIP效應(yīng)；研究表明，在高應(yīng)變和/或提高應(yīng)變率時，一種額外的、但更罕見的變形機制出現(xiàn)了，即固態(tài)非晶化，這似乎是極端加載條件下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的一個特征。層錯和孿晶，沿{111}平面的協(xié)調(diào)傳播產(chǎn)生高變形區(qū)，這些高變形區(qū)可重組為六邊形包體；當(dāng)這些區(qū)域的缺陷密度達到臨界水平時，它們會產(chǎn)生非晶材料島。這些區(qū)域具有出色的機械性能，提供額外的強化和/或增韌機制，以提高這些合金承受極端載荷的能力。

圖1 鍛造CrMnFeCoNi HEA的初始微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)響應(yīng)和示意圖樣品幾何形狀。

圖2模壓CrMnFeCoNi材料準靜態(tài)壓縮變形組織研究。

圖3 動態(tài)壓縮/剪切作用下CrMnFeCoNi 材料的變形組織。

圖4 對變形程度增加的等原子CrCoNi基高階材料提出了分層變形機制范式。

綜上所述，研究者認為，非晶化實際上是一種附加的變形機制，除了位錯介導(dǎo)的塑性、機械孿晶和馬氏體fcc→hcp相變外，還提供了多種途徑來耗散所傳遞的應(yīng)變能。HEAs變形機制的通用性和協(xié)同性使其成為極端承重應(yīng)用的可行候選材料，如沖擊穿透、保護和極端低溫環(huán)境。通過調(diào)整成分（進一步降低堆垛層錯能）和熱處理（引入更高密度的缺陷），相信有可能最大化這些有利影響，從而創(chuàng)造出專為極端負載環(huán)境設(shè)計的新型優(yōu)質(zhì)金屬合金。