一种高熵合金具有出色的抗冲击性能，这归功于其异常活跃的位错行为

《ACTA MATERIALIA》：Exceptional impact resistance of a high-entropy alloy governed by abnormally active dislocation behavior

高熵合金（HEA）通过冷轧和退火形成预孪晶与纳米L1?析出物的协同结构，显著提升动态力学性能，屈服强度达2067 MPa，应变吸收能721.4 mJ/m3，同时保持延展性。低堆垛层错能（SFE）环境下，析出物抑制孪晶形成，高应力诱导位错成核，与预孪晶及析出物相互作用增强强度，剪切析出物和退化孪晶促进应力分散，实现高强度与良好韧性平衡。

　　

吴尚书|刘毅|应慧强|吴振铎|田全伟|寇宗德|唐松|何哲|刘思楠|何海燕|冯涛|ádám Révész|杨仁|司兰

中国南京工业大学材料科学与工程学院赫伯特·格莱特纳米科学研究所，南京210094

摘要

高熵合金（HEAs）在极端条件下的优异机械性能源于多种晶体缺陷的协同作用。然而，通过有针对性的微观结构设计，可以有选择地调节特定类型的缺陷，进一步提高机械性能。在本研究中，通过冷轧和随后的退火处理，在一种低堆垛故障能（SFE）的Co₃₅Cr₂₀Fe₂₀Ni₂₀Al₂Ti₃ HEA中实现了由预孪晶和纳米级L1₂沉淀物组成的独特微观结构。动态力学测试表明，该HEA表现出迄今为止面心立方（FCC）HEAs中最高的动态屈服强度（2067 MPa）和应变吸收能量（721.4 mJ/m³），同时仍保持相当的延展性。这种优异的动态机械性能主要归因于低SFE HEA中异常活跃的位错行为，而非其内在的堆垛故障或孪晶机制。具体而言，纳米级L1₂沉淀物通过阻碍堆垛故障的产生来抑制孪晶的形成，而应力的增加则促进了晶内大量位错的形核。这些位错同时受到沉淀物和预孪晶的强烈钉扎，显著提高了强度。同时，可剪切的沉淀物和逐渐退化的孪晶减轻了应力集中，使得应变得以分散，从而保持了延展性。这项工作开创了在低SFE HEA中使用预孪晶和纳米沉淀物的先例，实现了异常活跃的位错行为，制备出具有实际抗冲击性的HEA，并为设计在极端条件下的超强且延展性材料提供了关键指导。

引言

在过去的几十年里，一种以高熵合金（HEAs）为代表的新型合金设计策略应运而生，这种合金包含多种主要元素，极大地扩展了可实现的成分空间[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]]。这种策略使HEAs能够表现出多种变形机制，如位错活动、堆垛故障（SFs）和相变，从而开发出具有优异性能组合的合金，包括超高强度、优异的延展性、显著的韧性以及出色的热稳定性[[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。最近的大量研究表明，面心立方（FCC）HEAs在动态载荷下表现出优异的机械性能。鉴于这些特性，HEAs在下一代防护应用中显示出巨大潜力[13,[19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]]。尽管HEAs在先进应用中具有明显优势，但其在动态载荷下的机械行为和变形机制仍不甚明了，这严重限制了它们在高应变率应用中的使用。

HEAs在动态载荷下的机械行为（应变率通常在10³至10⁷ s^-1范围内）主要通过Split Hopkinson压力棒（SHPB）、轻气枪系统和激光诱导冲击技术进行研究[26,28,29]。对Cantor合金及其衍生物进行的开创性研究表明，在超过10³ s^-1的应变率下，这些HEAs表现出显著的应变率敏感性和优异的加工硬化能力。这种优异的抗冲击性主要归因于变形诱导的孪晶形成和位错活动之间的协同作用[[30], [31], [32]]。另一种机制涉及CoCrNi合金在动态载荷下从FCC相转变为六方密排（HCP）相，这有助于缓解应力集中，从而提高加工硬化和延展性[33]。对CrMnFeCoNi和Al_0.1CoCrFeNi HEAs的轻气枪实验进一步强调了变形孪晶在高应变率条件下介导塑性的关键作用[26,34]。在激光诱导冲击载荷产生的极端应变率（1×10⁷ s^-1）下，CrMnFeCoNi HEA形成了更为复杂的微观结构，包括堆垛故障、变形孪晶、纳米再结晶甚至局部非晶区域[27]。FCC HEAs在高应变率下表现出的复杂变形机制尚未转化为对具有增强动态性能的微观结构的有针对性的设计指导。

最近的研究工作越来越多地关注优化HEAs的初始微观结构设计，以提高其在动态载荷下的机械性能。将均匀分布的纳米级L1₂沉淀物引入完全均匀化的基体中，显著提高了动态条件下的屈服强度。这种微观结构特征促进了FCC基体内的位错交叉滑移机制[35]。此外，Fu等人证明，在FeCoNiAlTi中引入高密度的纳米级L1₂沉淀物不仅增强了合金的强度，还提高了应变吸收能力。这一发现证实了L1₂沉淀物可以作为能量吸收岛，从而显著提高抗冲击性[23]。在另一种结构优化策略中，将TBs引入CoCrFeNi HEA中，有效提高了准静态和动态变形过程中的流动应力。同时，它促进了微带向位错细胞的转变，从而实现了优异的应变适应能力[36,37]。尽管上述结构优化策略在提高动态机械性能方面显示出良好的效果，但由于系统性的结构优化研究较少以及动态力学测试的固有复杂性，我们对HEAs在动态变形下的结构-性能关系的理解仍然不足。这一限制阻碍了高性能HEAs在需要极端载荷条件下的合理设计。

在这项研究中，基于上述关于预孪晶[36,37]和L1₂沉淀物[23,35]在提高动态机械性能方面的作用，我们系统研究了具有预孪晶和纳米级L1₂沉淀物共存的特征化微观结构的Co₃₅Cr₂₀Fe₂₀Ni₂₀Al₂Ti₃ HEA的动态响应。在10^-4至6×10³ s^-1的广泛应变率范围内进行了压缩测试，以评估微观结构特征对机械性能的影响。我们提出了一种位错介导的机制，用于增强含有纳米级L1₂沉淀物的低堆垛故障能（SFE）HEAs的强度。该机制源于动态载荷下变形孪晶的抑制和高应力水平下的大量位错形核。均匀形核的位错与预孪晶和纳米级L1₂沉淀物强烈相互作用，导致流动应力显著增加，从而提高了抗动态变形的能力。同时，L1₂沉淀物的可剪切性质和预孪晶的逐渐退化促进了应变的扩散，实现了高强度和良好可变形性的结合。这项工作旨在为高应变率冲击条件下的HEAs微观结构优化建立新的范式。

化学成分设计

在这项工作中，我们通过增加钴含量合成了基于等原子比CoCrFeNi HEA的定制成分Co₃₅Cr₂₀Fe₂₀Ni₂₀Al₂Ti₃，以实现内在的低SFE[38,39]，同时添加少量Al和Ti有助于纳米级L1₂有序相的沉淀[40]。使用维也纳从头算模拟包（VASP）[41]计算了广义堆垛故障能（GSFE）。SFE计算采用了FCC超胞模型

预孪晶和纳米级L1₂沉淀物的协同设计

图1a中展示了300 K下铸态Co₃₅Cr₂₀Fe₂₀Ni₂₀Al₂Ti₃和参考合金Co₂₅Cr₂₅Fe₂₅Ni₂₅的GSFE曲线，显示了一个完整的堆垛故障沿着1/6<112_FCC在密排（111）_FCC平面上的形成。一般来说，不稳定的堆垛故障能（γ_usf）反映了形成主导部分位错的能量障碍，而内在的堆垛故障能（γ_isf）表示堆垛故障的稳定性[39]。γ_usf从500 mJ/m²降低到458 mJ/m²

纳米级L1₂沉淀物和预孪晶对变形机制的影响

如图3所示，TEM观察确认了HT700 HEA中存在大量的棒状L1₂沉淀物。根据动态变形后的EDS映射结果（图8），HT700样品中岛屿状L1₂结构的形成可以通过两种可能的机制来解释。首先，假设变形过程中的塑性功产生的热量导致动态载荷下的均匀或局部温度升高，可能引起瞬时

结论

本研究提出了一种新的HEA设计策略，通过将有序的纳米级L1₂沉淀物和预孪晶嵌入FCC基体中，实现了优异的动态机械性能。通过对Co₃₅Cr₂₀Fe₂₀Ni₂₀Al₂Ti₃ HEA采用独特的热机械处理工艺，即热锻造、冷轧和在沉淀温度下退火，我们设计出了一种新型微观结构，其中均匀分布着纳米级的棒状L1₂沉淀物和预孪晶

CRediT作者贡献声明

吴尚书：撰写–审稿与编辑、撰写-原始草稿、资源获取、项目管理、方法论、研究、概念化。刘毅：撰写-原始草稿、研究、形式分析、数据管理。应慧强：研究、数据管理。吴振铎：撰写-审稿与编辑、验证、研究、监督、资金获取。田全伟：方法论、监督。寇宗德：研究、形式分析。唐松：研究、形式分析。

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吴尚书：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、资源获取、项目管理、方法论、研究、概念化。刘毅：撰写 – 原始草稿、研究、形式分析、数据管理。应慧强：研究、数据管理。吴振铎：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、研究、资金获取。田全伟：监督、方法论。寇宗德：研究、形式分析。唐松：研究、形式分析。