高熵合金（HEAs）兼具優異的機械性能、熱機械性能和極端條件下的卓越耐腐蝕性能，是先進核結構材料的潛在候選材料。與傳統合金不同，HEAs 由五種或更多接近等原子比例的主元素組成。研究發現，它們能形成簡單的固溶結構，包括面心立方（FCC）和體心立方（BCC）結構，而不是脆性金屬間化合物。HEA 令人驚訝的微觀結構簡單性和成分復雜性影響了散熱、缺陷產生和缺陷遷移過程，這些過程通過所謂的自愈效應促進了缺陷重組和湮滅。在輻照 HEA 的過程中誘發的許多類型的原子缺陷表現出極高的形成能量，導致這些缺陷的湮滅具有很高的重組率。因此，可以認為 HEA 的特殊輻照耐受性是通過其缺陷動力學過程實現的。雖然，高熵合金（HEAs）在極端條件下具有令人印象深刻的機械性能，是先進核結構材料的潛在候選材料。然而，微裂紋是最常見的材料損傷，在材料合成和使用過程中都會出現。

來自澳大利亞科學院和德國達姆施塔特工業大學的學者通過分子動力學模擬對離子輻照下 FeCoCrNiAl_0.5 HEA 的裂紋愈合機制進行了原子研究。通過對重疊碰撞級聯過程中點缺陷的產生和重組進行定量分析，評估了 HEA 的裂紋愈合機制。在第一次碰撞過程中，級聯核心產生的間隙缺陷擴散到裂紋表面，導致后續再結晶過程中的裂紋愈合。此外，相應的空位積累并形成大尺寸的空位簇，從而產生堆疊斷層和復雜的位錯網絡，分布在愈合裂紋的位置周圍。隨著重疊級聯數量的增加，缺陷重組率也會增加，相穩定性也會進一步提高。離子輻照下 HEA 的裂紋愈合工程可為設計先進的核材料鋪平道路。相關工作以題為“Crack-healing mechanisms in high-entropy alloys under ion irradiation”的研究性文章發表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119488

本研究選擇了FeCoCrNiAl_x 體系來研究預裂紋 HEA 的輻照行為。首先，分析了預裂紋 HEA 和無缺陷 HEA 中點缺陷的形成、演變和分布，并研究了輻照下裂紋對缺陷動力學的影響。然后，通過分析微結構演變和缺陷相互作用揭示了裂紋愈合的機理。最后，針對八個重疊級聯進一步評估了愈合 HEA 的結構完整性，并研究了缺陷-位錯相互作用。

圖 1. 模擬時間為 (a) 0.0 ps、(b) 0.3 ps、(c) 0.5 ps、(d) 2 ps、(e) 6 ps 和(f) 20 ps 時，動能大于 0.4 eV 的擊穿原子在第一次級聯時裂紋 HEA 中的空間分布。

圖 2. 無裂紋和有裂紋 HEA 中四個重疊碰撞級聯的輻照過程中點缺陷的演變。紅線突出顯示了相應的熱峰值。插圖顯示了有裂紋 HEA 和無裂紋 HEA 的八個重疊級聯的缺陷重組率。

圖 3. 第一次碰撞級聯時，裂紋 HEA 中缺陷在 (a) 0.5 ps、(b) 1 ps、(c) 2 ps 和(d) 20 ps 處的空間分布。(e) 2 ps 和 (f) 20 ps 時裂紋周圍的相應缺陷分布。間隙和空位分別用黃色和藍色球體表示。紅色矩形框突出顯示了裂紋位置。

圖 4. (a) 無裂紋 HEA 第一次級聯的點缺陷空間分布與有裂紋 HEA (a) 第二次級聯、(c) 第三次級聯和 (d) 第四次級聯的點缺陷空間分布對比。紅色矩形框突出顯示了裂紋位置。

圖 5. 裂紋 HEA 在 (a) 0 ps、(b) 2 ps、(c) 20 ps 和 (d) 100 ps 時的微觀結構構造。為直觀顯示輻照過程中的微觀結構演變，僅顯示了樣品的一半。裂紋表面的原子用黃色標出，以區別于面板（a）中碰撞級聯過程中的非晶相原子。(b1)和(d1)是(b)和(d)中相應虛線方框的放大圖，其中刪除了裂紋區域外具有 FCC 結構的原子，以突出顯示進入裂紋區域的微觀結構演變。為了直觀顯示裂紋位置的微觀結構，(b1)和(d1)中只顯示了從樣品中心切下的 3 nm 板片。(e) 不同晶格結構的原子與裂紋區域（黃色矩形框標出）原子總數的比率與級聯時間的函數關系。

圖 6. (a) 無裂紋 HEA 第一次級聯穩定階段的微觀結構與有裂紋 HEA (b)第二次、(c) 第三次和(d) 第四次級聯裂紋階段的微觀結構對比。為直觀顯示輻照過程中的微觀結構演變，僅顯示了樣品的一半。

圖 7. (a) 無裂紋 HEA 在第一次級聯時與有裂紋 HEA 在四次重疊級聯時不同大小的簇數量對比。插入面板是相應虛線圓圈區域的放大圖。(b)第 1 級聯穩定階段有裂紋 HEA 的微觀結構。(b1)和(b2)顯示了一個具有代表性的堆疊斷層以及(a)中虛線方格放大區域的相應空位分布。

圖 8. 上圖：(a1) 無裂紋 HEA 穩定階段的缺陷和位錯分布快照，以及有裂紋 HEA 中 (b1) 第 1、(c1) 第 2、(d1) 第 3 和 (e1) 第 4 碰撞級聯的缺陷和位錯分布快照。下圖：(a2) 無裂紋 HEA 穩定階段的微觀結構和位錯分布快照，與有裂紋 HEA 在 (b2) 1,(c2)2,(d2)3,(e2)4 級碰撞級聯處的對比。

總之，本研究通過 MD 模擬研究了離子輻照下的預裂紋 HEA。通過對重疊碰撞級聯過程中 FPs 的生成和重組進行定量分析，獲得了對 HEA 裂紋愈合機制的原子級理解。裂紋 HEA 在輻照下的自愈合能力與裂紋優先吸收間隙有關。裂紋的修復機制源于第一次級聯后熱峰值散熱引起的高動能原子再結晶。間隙物擴散到裂紋區域，同時相應的空位積累并形成大尺寸空位簇，在愈合的裂紋周圍產生堆疊斷層和復雜的位錯網絡。位錯網絡的復雜性因后續級聯中的空位吸收而增強。此外，這些位錯抑制了點缺陷的擴散和重組，因此與無裂紋 HEA 相比，缺陷重組率更低，大尺寸空位簇的數量也更多。因此，離子輻照下 HEA 的裂紋愈合工程為設計先進的核材料提供了指導。