【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】新近快速涌現(xiàn)的多主元高/中熵合金顛覆了由一種或兩種金屬主元構(gòu)筑的傳統(tǒng)合金設(shè)計理念，因其具有高強韌塑性、抗輻照、耐沖擊等一系列優(yōu)異的力學性能，在空天、能源等領(lǐng)域顯示出廣闊應用前景。然而，受困于多種金屬主元在拓撲周期性晶格隨機占位所引起的復雜局部原子環(huán)境和化學短程序的影響，作為塑性變形重要載體的位錯如何在高/中熵合金形核與演化仍為難解之謎。近期，中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室沖擊動力學與新型材料力學性能課題組在這方面取得新進展。
 

　　研究人員以三元Ni-Co-Cr中熵合金體系為研究對象，首先采用分子動力學模擬，結(jié)合過渡態(tài)理論，考察了位錯形核過程中原子的演變情況，發(fā)現(xiàn)位錯形核過程中伴隨著局部fcc-bcc的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這類bcc缺陷原子作為位錯形核的前驅(qū)體，促進位錯的形成。進一步研究發(fā)現(xiàn)這類bcc缺陷多集中為Cr原子。
 

　　為進一步確定這一bcc誘導的位錯形核機制，研究人員利用蒙特卡洛方法建立準隨機原子模型，進行第一性原理單軸拉伸計算。結(jié)果再一次表明，位錯形核前總是伴隨著bcc原子的產(chǎn)生，且這些bcc原子以Cr元素為主，驗證了位錯形核過程中bcc團簇的關(guān)鍵作用。
 

　　進一步，通過電子結(jié)構(gòu)計算確定了位錯形核過程中bcc缺陷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電子起源。研究發(fā)現(xiàn)，Cr元素表現(xiàn)出明顯的電子局域化行為，這一局域化行為使得Cr原子鍵的變形協(xié)調(diào)性降低，容易產(chǎn)生應力集中。而且，Cr原子周圍原子密度較低，導致Cr原子鍵抗變形能力較低。Cr原子特殊的電子結(jié)構(gòu)，導致變形過程中周圍電子結(jié)構(gòu)的坍塌，從而形成bcc結(jié)構(gòu)，進一步促使位錯的形核。
 

　　該研究結(jié)合經(jīng)典分子動力學、過渡態(tài)理論和第一性原理計算，獲得了電子-原子-缺陷團簇-位錯形核之間的關(guān)聯(lián)圖譜，有效解析了中高熵合金位錯形核的起源與演化機制，為深刻理解高/中熵合金塑性變形的微觀機制及高性能合金材料設(shè)計提供線索。
 

　　該工作以Novel atomic-scale mechanism of incipient plasticity in a chemically complex CrCoNi medium-entropy alloy associated with inhomogeneity in local chemical environment 為題近日在線發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域期刊Acta Materiala 上。力學所特別研究助理曹富華是論文第一作者，研究員王云江、戴蘭宏為通訊作者。此項研究得到國家基金委重大項目、國家基金委基礎(chǔ)研究中心項目、中科院戰(zhàn)略性先導專項等支持。