《Nano Letters》：Small-Scale Insight into Uniform Deformability and Softening Resistance of Refractory High-Entropy Alloy
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本文綜述聚焦於研究體心立方結構難熔高熵合金（HEA）在微觀尺度下的力學性能與變形行為。研究結合納米壓痕、微柱壓縮、原子模擬與透射電鏡，揭示了合金成分複雜性（從純鎢到五元高熵合金）如何通過嚴重晶格畸變（severe lattice distortion）影響其彈塑性各向異性（anisotropy）、高溫強度保持（softening resistance）以及位錯活動。研究結果表明，高熵合金具有優異的均勻塑性流動、軟化抑制能力及位錯演化機制，在高溫結構材料應用中展現巨大潛力。
微觀結構與力學性能
通過電子背散射衍射（EBSD）和X射線衍射（XRD）對從純鎢（1B）到五元高熵合金（5B，WTaMoNbV）的合金進行分析，結果顯示所有合金均呈現等軸、隨機取向的晶粒，並保持單一體心立方（BCC）結構。隨著組成元素的增加，晶粒尺寸顯著細化，例如4B和5B的微觀結構約為100微米，這歸因於多主元系統中的遲緩擴散效應（sluggish diffusion）。同時，原子尺寸差異（δ）和晶格畸變參數（δl）均隨成分複雜性增加而增大，其中5B表現出最為顯著的晶格畸變。
利用納米壓痕技術測量了不同溫度和取向下的楊氏模量和硬度。結果表明，對於楊氏模量，所有合金在<100>取向上均表現出更高的數值。純鎢（1B）在室溫下表現出明顯的彈性各向異性（AE= 0.875），而高熵合金（5B）則接近各向同性（AE= 0.997），其彈性各向異性降低率（R）高達97.4%。隨著溫度升高，1B的模量急劇下降，而3B和5B由於晶格畸變介導的熱阻效應，模量保持相對穩定。特別地，5B在低溫和高溫下均能持續保持較高的R值，展現出優異的熱穩定性。
在硬度方面，1B在室溫下表現出強烈的塑性各向異性（AH= 1.092），即<111>取向的硬度更高。與此相反，3B顯示出相反的趨勢（AH= 0.914），但各向異性降低率僅為6.0%。相比之下，5B表現出接近各向同性的塑性（AH= 1.012），對應於高達86.6%的各向異性降低率。這種塑性各向異性的急劇抑制與晶格畸變參數δl從1.29%增加到1.31%相關，表明存在一個畸變介導的滑移激活閾值效應。在高溫下，1B顯著軟化，而3B和5B由於強烈的固溶強化（solid-solution strengthening）和畸變增強晶格摩擦力（lattice friction），仍保持較高的硬度。特別是嚴重的晶格畸變大幅增加了派-納勢壘（Peierls barrier），限制了位錯的長程滑移，從而抑制了高溫下的局部化變形。
微柱壓縮與塑性變形行為
研究通過微柱壓縮試驗，獲得了1B、3B和5B合金在<100>取向下不同溫度的應力-應變曲線。結果顯示，從1B到5B，屈服強度隨溫度的敏感性逐漸降低，這與隨著化學複雜性增加而增大的能量勢壘Δ?p(w)和ΔEb有關。其中，5B在升高溫度下表現出最高的屈服強度保持能力，這意味著其擁有最崎嶇的能量景觀和最頑強抵抗的位錯滑移。
對塑性變形過程中應力下降（serration）行為的統計分析揭示了合金間的顯著差異。一般而言，應力下降主要源於位錯雪崩（dislocation avalanches）。隨著溫度升高，1B表現出更少但幅度更大的應力下降，這主要歸因於螺型位錯（screw dislocation）通過熱激活的扭結對（kink-pair）形成和滑移，其移動性增強。與此相反，3B和5B中的應力下降次數隨溫度升高而增加。研究指出，升高溫度降低了缺陷形成的勢壘，而複雜的化學環境進一步促進了局部化位錯成核（例如在WTaMoNb HEA中的富鉬區域），導致更頻繁的短程位錯成核和後續的位錯雪崩。然而，高熵合金中崎嶇的能量景觀通過捕獲位錯限制了應變傳遞，導致在多個滑移系統上的間歇性運動，從而產生更小的單個滑移事件和應力下降。
壓縮後微柱缺陷結構與活動
通過對室溫下變形後微柱的掃描電鏡（SEM）和掃描透射電鏡（STEM）分析，觀察到不同合金的變形特徵存在顯著差異。在1B中，觀察到兩種1/2<111>位錯被激活，並因活躍的螺型位錯交滑移而產生顯著的纏結。靠近表面的平直滑移線表明沿特定系統發生了長程滑移。在3B中，變形由上部的位錯纏結和下部的平面滑移主導。儘管滑移阻力更高，但滑移面的激活仍保持局部化。在5B中，密集的彎曲位錯和細小的位錯環表明缺陷易於形成但生長受限。嚴重的晶格畸變減小了滑移阻力的差異，促進了多個滑移系統的激活。崎嶇的能量景觀進一步提高了派-納勢壘，限制了位錯運動並抑制了表面滑移帶的形成。
進一步研究溫度對高熵合金中缺陷演化的影響，結果顯示，隨著溫度升高，交叉扭結湮滅（cross-kink annihilation）變得更為顯著，螺型位錯密度略有下降。相比之下，刃型位錯（edge dislocation）仍然被強烈地捕獲，即使在高温下其向表面的運動也受到限制。定量分析揭示了一個有趣的現象：在所有測試溫度下，刃型位錯的數量（26-30個）始終超過螺型位錯（17-22個）。這與傳統BCC金屬中通常觀察到的螺型位錯主導的塑性行為形成對比，表明存在畸變誘導的主導變形機制轉變。具有多個滑移矢量的隨機分佈的刃型位錯段密度相對較高，這促進了頻繁的位錯相互作用和纏結。這些纏結的亞結構成為有效的屏障，抵消了高温下單一滑移變形中通常觀察到的熱軟化，從而抑制應變局部化並促進更均勻的變形。此外，高密度的應力場也顯著阻礙了位錯擴展，因此觀察到的主要是細小的位錯環和纏結的位錯簇，而長直的位錯線則很少見。
原子尺度位錯活動：原子模擬
分子動力學（MD）模擬結果揭示了1B和5B之間截然不同的行為。在所有溫度下，5B的平均屈服應變比1B增加了31%（5B/1B比值 = 1.31），這與實驗室獲得的壓縮屈服應變比值1.37（1B: 1.46%； 5B: 2.00%）密切匹配。模擬中絕對屈服應變遠大於實驗值，這歸因於極高的應變率和初始無缺陷結構，但屈服應變比值的一致性表明，雖然位錯在5B中更早成核，但嚴重的晶格畸變強烈地阻礙了其隨後的滑移和增殖，導致屈服開始的延遲。
在1B中，升高溫度導致屈服強度降低和尖銳的應力下降，這與長程位錯滑移有關。儘管1B在所有溫度下都保留長而直的位錯，但溫度升高降低了臨界剪切應力，使位錯更容易移動並逃離晶體。相比之下，5B表現出漸進的彈塑性轉變，這歸因於嚴重的晶格畸變和崎嶇的能量景觀降低了成核勢壘並使其在空間上分佈，從而促進了晶體中隨機的位錯形成。在室溫下，變形由密集、彎曲的位錯控制，這些位錯沿多個方向進行局部扭曲和短程運動。與1B相比，5B表現出更低的溫度敏感性，反映在較小的屈服強度變化和最小的應力下降上。在低溫和高溫下，位錯活動的特徵都是細小位錯環的連續形成和緩慢擴展，這與實驗觀察結果一致。
對位錯構型和伯氏矢量（Burgers vector）的統計分析顯示，在1B中，僅觀察到少量長而直的位錯，主要是1/2[1?11]和1/2[11?1]。形成<100>位錯在純鎢中能量上是不利的，導致不同方向1/2<111>位錯之間的相互作用弱、纏結度低。相比之下，5B表現出顯著更高的位錯密度，均勻分佈在所有四個1/2<111>方向上，這增加了相互作用和纏結的可能性，從而促進了大量低遷移率的<100>位錯形成。在實驗中，在可比長度尺度下，計算得到的5B在室溫下的位錯密度（約9.8 × 1016m-2）是文獻報道的1B在11%壓縮應變下位錯密度（4 × 1016m-2）的約2.45倍。這個可比的比例表明位錯成核能力的增強與晶格畸變程度成正比。
關於位錯速度，在室溫下，刃型位錯在1B中表現出最高的遷移率，而螺型位錯的移動速度幾乎是其一半（約1.25 ?/ps），這與BCC金屬中的趨勢一致。然而在5B中，位錯運動受到<100>位錯纏結和晶格畸變的顯著阻礙。螺型位錯進一步受到持續的交叉扭結阻礙，導致其速度遠低於1B。這與之前的發現一致，即在MoNbTaV和MoNbTaW高熵合金中，螺型位錯在所有滑移面上始終表現出比刃型位錯更高的滑移阻力。在高溫下，1B中刃型位錯速度略有增加，而降低的扭結對成核勢壘導致螺型位錯遷移率更顯著的增強。相反，在5B中，位錯仍被困在局部的能量谷中，即使在高溫下，螺型位錯段中的交叉扭結也不易消除。因此，5B中位錯速度隨溫度的增加遠小於1B。
總結
綜上所述，本研究系統考察了具有顯著晶格畸變和不同變形行為的WTaMoNbV高熵合金。通過結合納米壓痕、微柱壓縮、透射電鏡觀察和分子動力學模擬，系統研究了化學複雜性增加對力學性能和缺陷演化的影響。對於純鎢，隨著溫度升高，與長程平面滑移相關的強度下降和應力下降在變形過程中逐漸明顯。然而，高熵合金固有的複雜鍵合環境顯著減小了取向依賴性差異，並有助於保持高溫強度。此外，結構複雜性還在彈塑性轉變過程中促進了跨越多個滑移系統的廣泛位錯成核，同時限制了刃型和螺型位錯的運動，從而導致了各向同性的塑性變形和顯著的加工硬化。這些發現凸顯了高熵合金作為高溫結構應用潛力候選材料的價值。
