湖南大学重磅PNAS：大变形晶体材料的非均匀晶格应变强化新机制

1. 导读

长期以来，同时提高合金的强塑性一直是传统合金领域的永恒追求。在过去十年，多组元高熵合金被成功开发出来。高熵合金是一种简单的固溶结晶结构，但化学无序程度很高。高熵合金的良好力学性能源于一种不寻常的位错晶格相互作用，这与多种具有不同原子尺寸、键合变化和晶体结构差异的主元素随机混合造成的非均匀晶格应变效应有关。然而，这种非均匀晶格应变场对位错三维动态强化机制的影响尚不明确，容易被位错在短时间内、大尺度上的大规模运动所掩盖。离散位错动力学(DDD)模拟可以研究合金中位错在介观尺度下的动态演化。利用DDD模拟研究高熵合金的动态应变硬化，必须考虑非均匀晶格应变场的存在。目前还没有人建立能够正式研究位错运动/增殖/相互作用、位错塑性和在微观或细观尺度上的应变硬化的三维晶格畸变模型。本文则首次研究和表征了FeCoCrNiMn高熵合金的晶格应变场对位错运动的影响机制。

2. 成果掠影

近日，湖南大学机械学院机械与运载工程学院教授方棋洪课题组联合香港城市大学教授杨勇团队提出了一种三维离散位错动力学模拟方法，该方法考虑了FeCoCrNiMn高熵合金晶格应变场实验测量结果并基于此建立了相关模型，以探索非均质应变诱导的强化机制。研究结果表明，非均质晶格应变会导致异常的位错行为(即多重扭结/滑动和双向交叉滑移)，从而形成支撑强度-塑性协同的强化机制。非均质应变场可以通过新的非均质应变诱导强化机制提高多主元合金的力学性能，导致严重变形的成分复杂晶体的强度-延性协同。本工作为设计强而有韧性的变形晶体固体(如高熵合金和高熵陶瓷)提供了重要的新策略。相关成果以“Heterogeneous lattice strain strengthening in severely distorted crystalline solids”为题发表在国际顶级期刊《PNAS》上.

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2200607119

值得注意的是，本篇论文的审稿人对这篇文章给出了高度评价，“该研究对理解高熵合金独特的位错行为和强化机制是极其重要的进展”。此次，材料人网特别邀请到了湖南大学方棋洪课题组来进行专访，旨在为读者揭示这篇成果背后的秘密，一起来看！

老师您好，请问建立晶格应变场对位错运动的影响模型需要考虑的主要因素是什么呢？
答：需要考虑模型的准确性，晶格应变场模型主要由的控制大小的应变幅值和控制形貌的分形维度所决定的，因此需要将模型获得的晶格应变场与实验获得的晶格应变场反复对照，最终确定应变幅值以及分形维度。
能给大家普及一下离散位错动力学(DDD)模拟的优势吗？
由于材料塑性变形本质上的多尺度特征，对传统的连续体理论和计算方法提出了挑战，发展基于位错机制替代经验基的晶体塑性理论，成为计算材料科学的一个长期目标。离散位错动力学方法的长度/时间尺度在微米/微秒的量级上，是一个连接原子尺度和宏观尺度的桥梁，可以在连续时间内获得位错运动特征，捕获大规模的位错动态演化，以探究材料晶体塑性的物理机制。
原子尺度的应变图可以用实验表征得到吗？
采用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)以及球差校正扫描透射电子显微镜(STEM)都可以获得原子尺度的应变图。
本次成果对于投入产业化的应用有什么指示，未来您和您的团队会把工作重心放在什么方向？
将耦合了晶格应变场的位错动力学与微米柱压缩和纳米压痕实验相结合，揭示晶格扭曲的多主元合金材料的亚微米尺度的塑性机制，实现力学性能精确预测，发掘具有优异性能的多主元合金材料。理论指导的工艺窗口优化，可以有效降低传统试错方法的时间和成本，提高企业研发效率。开发具有完全自主知识产权的软件辅助实验观察、材料制备及性能预测等。

3. 核心创新点

(1) 建立一种三维离散位错动力学模拟方法,用于研究位错运动/增殖/相互作用、位错塑性在微观或细观尺度上的应变硬化;

(2) 提出“非均匀晶格应变”强化新机制;

4. 数据概览

图1 未变形Cantor合金中非均匀晶格应变场的实验表征与特性分析. A. [011]轴的高角度环形暗场扫描透射电镜图像. B. A中(111)平面滤波后的FFT图像. C. 实验得到的均方根残余应变与扫描尺寸的相关性. （D和E）由实验和分形函数得到的残余应变沿[111]方向的等值线图. F由实验得到的应变的统计分布和分形函数.

图2 Cantor合金微柱压缩的组织和力学性能表征. A. EBSD IPF图，微柱压缩试验方向为[100]的晶粒；B. 微柱沿[100]方向压缩的应力-应变曲线。微柱的直径均为2mm；C. 扫描电镜图像显示了变形微柱的形态；D. 在变形微柱中，TEM明场图像显示了滑移带；E. [011]区轴变形试样的高分辨TEM图像；F. E图(111)平面滤波后的FFT图像；G. 对应的原子尺度应变图.

图3 FeCoCrNiMn高熵合金的应力-应变曲线和位错构型/演化；A. DDD模拟图；B. 块状FeCoCrNiMn高熵合金的应力与应变关系；C. 位错密度随应变增大而增大。 “无晶格畸变”表示纯金属，与Cantor合金具有相同的弹性常数和泊松比，五角星表示屈服点；(D和E). 在应变为0.39和0.57%时，微柱中的位错构型；(G和H)在临界剪应力作用下，不同长度的FR源在无晶格畸变和有晶格畸变时的位错构型; i. 剪切应力场作用下FR源的位错形态; (G-I)，粉色、红色、蓝色和绿色的线表示源长度为1,000、1,500、2,000和4,000 b的FR源。这里，b是Burgers向量的大小.

图4 位错运动的表征. (A)和(B)在应力峰值处形成螺/刃型位错扭结；(C)相应的位错线长度和能量随应变剧烈波动；（D）（111）面上的位错运动；(E-H)交叉滑移和双交叉滑移过程；（I）双交叉早期滑移过程中在（111）面上形成两个螺型位错；（J）双交叉早期滑移过程中在（111）面上形成的两个螺型位错；(K)由于有多个双交叉滑移，许多滑动出现在位错上.

5. 成果启示

通过实验与计算模拟相结合，研究高熵合金中非均匀晶格应变诱导的强化机制，揭示了强度-塑性协同效应控制机制，对理解高熵合金独特的位错行为和强化机制是极其重要的进展。