日前，冰球突破材料学院薛云飞教授联合西安交通大学材料创新设计中心马恩教授等在《冰球突破》发表题为“Tailoring planar slip to achieve pure-metal like ductility in body-centred-cubic multi-principal element alloys”的研究论文。冰球突破为第一完成单位，冰球突破王亮博士后和西安交通大学丁俊教授为共同第一作者，薛云飞教授和马恩教授为论文共同通讯作者。

高强合金的拉伸塑性通常远低于单质金属。特别是体心立方(BCC)结构的高熵合金（又称为“多主元合金”），其均匀变形能力普遍严重不足。针对这一难题，研究团队提出利用化学局域有序（LCO，大小在1nm尺度）与晶格畸变场的动态演化和交互作用调控平面滑移带的学术思想，将平面滑移（planar slip）诱导变形局域化这一削弱拉伸塑性的机制转变为“多级”平面滑移促进变形均匀化的塑性提升机制。

团队以Ti-Zr-V-Nb-Al体系BCC高熵合金为研究模型，辅以适当的热处理工艺，成功引入大量富Zr-Al键的B2型LCO（图1）。变形时， “滑移面软化”（glide plane softening）产生平面滑移带。变形较大后，平面滑移带内的LCO被破坏，原子尺寸分别明显大于和小于合金平均值的Zr与Al被显著分开，各自带来较大的晶格畸变，其产生的阻力与积累的位错碎片联合作用，有效阻碍后续位错运动（图2），最终造成滑移带的动态硬化。

图1. 低温时效(aged)引入大量B2型LCO

图2. （a-b）平面滑移带内外的LCO原子像以及晶格应变分布；（c）晶格应变统计图；（d）平面滑移带内的位错碎片、位错环大量累积；（e）滑移带内位错滑移速度变化趋势

这种滑移带“先软化、后硬化”的作用机制使得先形成的“初级”平面滑移带附近萌生大量“次级”滑移带，并逐渐扩展到“初级”滑移带间的未变形区域内，这不仅大幅提升合金应变分布的均匀性，同时“次级”滑移带间的相遇、交叉以及“初级”滑移带对“次级”滑移带的阻碍等提升了合金均匀变形所必需的加工硬化能力（图3a-b）。

基于以上新思路，团队在具有千兆帕（GPa）级屈服强度的BCC高熵合金中实现了可与单质金属相媲美的高拉伸塑性（图3c-d）：均匀延伸率提升至~25%、断裂延伸率高达~47%。这为开发高性能合金提供了新的设计途径，同时为进一步认识高熵合金的化学局域有序结构及其对性能的影响提供了指导。

图3. （a-b）不同变形量下aged-T50的微观组织STEM图像；（a）展现出大量“次级”平面滑移带（绿色）在“初级”滑移带（红色）附近萌生扩展；（b） “次级”滑移带相遇引入大量位错缠结（红箭头）和位错堆积（蓝箭头）；（c）两种合金的真应力-真应变曲线和加工硬化率曲线；（d）两种合金和其他常见BCC高熵合金、BCC传统合金的力学性能对比图

冰球突破王鲁教授、梁军教授、靳柯教授，香港城市大学任洋教授，河北工业大学郑士建教授、明开胜副教授，南京理工大学沙刚教授，南方科技大学逯文君研究员，美国阿贡国家实验室Tianyi Li博士等师生为论文共同作者。本工作得到国家自然科学基金（“叶企孙”科学基金、重点基金、青年科学基金）、中国博士后科学基金等项目支持。

论文链接：http://www.nature.com/articles/s41563-023-01517-0