《Physica B: Condensed Matter》：Molecular dynamics investigation of twin boundary effects on the local plasticity of FeNiCrCoCu high-entropy alloy during nanoindentation
编辑推荐：
分子动力学模拟研究FeNiCrCoCu高熵合金纳米压痕响应及变形机制，揭示临界孪晶间距3.674 nm调控Hall-Petch与逆Hall-Petch关系：间距过大时孪晶作为位错障碍强化，间距过小时转为位错源并激活TPS和PSPTB协同软化机制。晶体取向影响滑带发展与应变局部化，位错交互与孪晶界过程竞相主导硬化与软化。
张书波|范善明|于文超|李俊|彭明军
材料科学与工程学院，云南先进轻合金综合计算材料工程重点实验室，昆明理工大学，昆明，650093，中国
摘要
本研究采用分子动力学方法探讨了等原子比FeNiCrCoCu高熵合金的纳米压痕响应和变形机制，重点分析了孪晶界间距和晶体取向的影响。研究发现，当孪晶界间距达到3.674纳米时，经典Hall-Petch强化效应开始显现，随着间距减小，硬度增加；而当间距低于这一阈值时，出现逆Hall-Petch关系，这归因于孪晶界行为从位错障碍转变为活跃的位错源，并伴随孪晶界迁移。这种转变激活了协同软化机制，包括孪晶部分滑移（TPS）和沿孪晶界的平行滑移传递（PSPTB）。晶体取向控制着滑移带的形成和应变局部化，而位错相互作用及孪晶界介导的过程则共同影响材料的硬化和软化过程。研究结果为理解纳米孪晶高熵合金中Hall-Petch行为与逆Hall-Petch行为之间的临界间距依赖性转变提供了重要见解。
引言
高熵合金（HEAs）作为材料科学领域的重大突破，通过采用多主元素（通常为五种或更多）的等原子比设计策略，实现了具有高配置熵稳定性的固溶体相结构，为开发新型高性能金属材料提供了新途径[[1], [2], [3]]。其独特的成分使其在极端环境条件下具有广泛的应用潜力，如航空航天、能源和国防领域[[4], [5], [6], [7], [8], [9]]。在各种高熵合金体系中，FeNiCrCoCu五元合金因其面心立方（FCC）结构及其优异的机械性能组合而受到广泛关注。该合金不仅继承了高熵合金的高强度和高硬度特性，还表现出优异的耐腐蚀性和热稳定性。然而，高熵合金发展的关键挑战在于如何克服强度与延展性的平衡问题，即如何在保持高强度的同时有效提高其延展性[[10], [11], [12], [13]]。为了解决这一问题，研究人员正在积极探索微观结构设计策略，例如纳米尺度孪晶工程，以优化其整体机械性能。
在FeNiCrCoCu高熵合金的微观结构调控中，纳米尺度孪晶工程被认为是一种有效的优化其机械性能的方法[[14]]。研究表明，通过精确控制孪晶界的密度和分布，可以实现材料强度与延展性的理想匹配。特别是在纳米压痕变形过程中，孪晶界与位错之间的相互作用表现出独特的尺寸效应：当孪晶界间距减小到纳米尺度时，材料从传统的Hall-Petch关系转变为逆Hall-Petch关系，这一现象与位错形核、滑移和湮灭等微观过程密切相关[[15,16]]。
近年来，研究人员对FeNiCrCoCu高熵合金的变形机制进行了深入研究。纳米压痕实验表明，该合金的塑性变形主要由位错活动主导。受限层滑移（CLS）位错、孪晶部分滑移（TPS）以及沿孪晶界的平行滑移（PSPTB）之间的竞争关系决定了材料的宏观机械响应[[17,18]]。特别值得注意的是，当孪晶界间距优化到特定范围时，材料可以实现最佳的强度-韧性平衡。这一发现为理解高熵合金的变形机制提供了重要线索。
然而，目前关于FeNiCrCoCu高熵合金在纳米压痕过程中的位错演化动态缺乏系统研究。诸如位错形核的临界应力、位错-孪晶界相互作用能量以及不同孪晶界条件下的位错结构演化规律等关键科学问题亟待解决[[19]]。此外，关于孪晶界在塑性变形中的作用——它们是主要阻碍位错运动的障碍还是位错源——在该合金体系中仍不明确[[20]]。
纳米压痕技术作为一种高分辨率表征技术，能够揭示材料在纳米尺度上的机械响应，并成功捕捉常规实验中难以观察到的位错-孪晶界相互作用动态[[21,22]]。这项技术为研究原子尺度或接近原子尺度的材料变形机制提供了有力工具。
作为一类新兴材料，FeNiCrCoCu高熵合金的独特成分设计导致了复杂的变形行为。组成元素之间的相互作用，例如Cu的偏聚倾向可能会形成局部化学有序区域，从而直接影响位错运动的阻力。同时，Cr虽然增强了耐腐蚀性，但也可能通过改变堆垛错能来影响位错解离行为[[23]]。这些因素共同决定了该合金在变形过程中的独特机械响应。
尽管初步研究已经探讨了FeNiCrCoCu高熵合金的变形机制，但系统且深入地分析不同孪晶界间距下的位错滑移和增殖机制仍有所欠缺。为此，本研究采用分子动力学模拟，构建了具有不同孪晶界间距的模型，系统研究了纳米压痕过程中位错与孪晶界之间的相互作用规律。本研究旨在揭示原子尺度上硬化-软化竞争的微观本质，为设计高性能纳米孪晶高熵合金提供理论基础[[24], [25]]。
计算方法
本研究中的分子动力学模拟使用了大规模原子/分子并行模拟器（LAMMPS）[26]进行。纳米压痕模型包括一个面心立方（FCC）结构的FeNiCrCoCu高熵合金基底和一个球形金刚石压头。
首先，使用Atomsk软件创建了一个晶格参数为0.35875纳米的纯面心立方Fe晶体模型。基底尺寸为234 ? × 234 ? × 236 ?，沿[1-10]、[11-2]方向排列。
机械性能
对机械参数和塑性变形行为的研究表明，孪晶结构显著影响材料的机械响应。在高熵合金（HEAs）中，变形机制主要受孪晶界的约束，包括位错的形成、孪晶界处的堆垛错以及孪晶界的迁移。因此，深入探讨孪晶界的影响至关重要。
结论
在本研究的单晶模型中，塑性变形主要由位错滑移主导。位错之间的相互作用导致了Stair-Rod位错和Lomer-Cottrell锁等不动结构的形成，这些结构是加工硬化的关键来源。原子应变分析进一步证实，应变能严格沿着{111}滑移面传递，体现了位错介导的滑移典型特征。
CRediT作者贡献声明
张书波：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿。
范善明：撰写 – 原始草稿，可视化。
于文超：资源提供，项目管理，实验研究。
李俊：可视化，资源提供，项目管理。
彭明军：可视化，验证，监督，资源提供，项目管理。
数据声明
重现本分子动力学研究结果所需的数据已在论文中提供。模拟过程中生成的原子轨迹数据和分析脚本可向相应作者索取。
创新性声明
本研究为纳米孪晶高熵合金中Hall-Petch行为向逆Hall-Petch行为的转变提供了新的机制解释。我们确定了3.674纳米的临界孪晶界间距，低于此间距时，变形机制发生根本性变化：孪晶界从位错障碍转变为活跃的位错源。这种转变伴随着孪晶界迁移，触发了独特的协同软化机制（TPS和PSPTB），最终导致...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了云南省重点科技项目（项目编号：202402AB080012）和云南省重点研发计划（项目编号：202203AE140011）的支持。
