近年來，物理冶金研究的新熱點(diǎn)和新舞臺聚焦在由多種主要合金元素組成的合金材料上，也稱為高熵（或中熵）合金（high-entropy alloys and medium-entropy alloys，以下簡稱HEA），涌現(xiàn)出一些新的科學(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大，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，會形成化學(xué)短程有序（chemical short-range order, CSRO），因此，CSRO是高熵合金本征的微結(jié)構(gòu)屬性。CSRO的尺度小，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(qiáng)化、應(yīng)變硬化和塑性行為等力學(xué)性能發(fā)揮重要作用。然而，直接看到CSRO并非易事，難點(diǎn)在于CSRO尺度小、組成元素間原子序數(shù)相差小和衍射強(qiáng)度太弱。利用透射電子顯微鏡（TEM）技術(shù)，學(xué)界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)朱靜研究組合作，通過TEM實(shí)驗(yàn)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)研究成果以Direct observation of chemical short-range order in a medium-entropy alloy為題，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(yùn)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、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。
研究人員從三方面觀察并證實(shí)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)及HAADF高分辨傅氏變換的衍射譜中，均顯示在
處存在超點(diǎn)陣衍射，選區(qū)和傅氏變換衍射譜中超點(diǎn)陣衍射都是直徑較大的暈圓（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(diǎn)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?jǐn)?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(diǎn)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(fù)），發(fā)現(xiàn)相鄰原子柱中V-V傾向于規(guī)避，而V-Co和V-Ni傾向于相鄰，證實(shí)了在(111)面上傾向于形成富V-貧V（即富Co/Ni）-富V的排列。進(jìn)一步通過構(gòu)建主動學(xué)習(xí)（active learning）團(tuán)簇展開（cluster expansion）模型及其蒙特卡洛模擬，研究人員發(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(shí)了拉伸變形過程中CSRO與位錯發(fā)生強(qiáng)烈交互作用，表明CSRO對塑性變形和強(qiáng)化、應(yīng)變硬化的重要貢獻(xiàn)。
該研究首次直接實(shí)驗(yàn)證實(shí)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（表面物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士）和程志英（清華大學(xué)材料學(xué)院高級工程師）。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助。
論文鏈接
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
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