体心立方难熔多主元素合金(MPEAs)由几种难熔金属元素组成，其屈服强度大于1千兆帕，是一种很有前途的材料，可以满足激进结构应用的需求。然而，它们在室温下的低至无拉伸延展性限制了它们的可加工性和大规模应用。

2024年1月3日，北京工业大学毛圣成及韩晓东共同通讯在Nature 在线发表题为“Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility”的研究论文，该研究出了一种HfNbTiVAl10合金，它具有显著的拉伸延展性(约20%)和超高的屈服强度(约1,390兆帕卡)。

值得注意的是，与其他相关合金相比，这些是最好的协同作用。这种优异的协同效应来自于在HfNbTiV合金中添加铝，从而产生负混合焓固溶体，从而提高强度并有利于分层化学波动(HCFs)的形成。HCFs跨越许多长度尺度，从亚微米到原子尺度，并产生高密度的扩散边界，作为位错运动的有效屏障。因此，多种位错结构被依次激发，使合金能够适应塑性变形，同时促进实质性的相互作用，从而产生两次不寻常的应变硬化速率上升。因此，塑性失稳被显著延迟，从而扩展了塑性状态，成为超大拉伸延性。该研究为实现MPEAs的超高强度和大拉伸延展性的协同结合提供了有价值的见解。

多主元素合金(MPEAs)由许多组成元素以相等或接近相等的原子比高浓度组成，称为高熵合金，在探索更好的机械性能方面，它比传统的稀合金具有更大的成分灵活性。虽然主要由耐火材料组成的体心立方(bcc)耐火MPEAs在室温下很容易达到接近或超过1 Gpa的高屈服强度，但阻碍其可加工性和潜在应用的一个关键瓶颈是其低至无拉伸延展性。这种强度与延性的权衡并不奇怪，因为直螺位错平面滑移主导了塑性变形，缺乏位错相互作用和增加应变硬化，这对于维持离域塑性应变至关重要。否则，应变局部化和不稳定，如颈缩，在屈服后立即发生。

抑制这种不稳定性的一个主要策略是在广泛的范围内保持归一化应变硬化率θ在一个较高的水平(大于1)。到目前为止，许多传统的途径，如孪晶诱导塑性和相变诱导塑性，已经可以通过调整其相稳定性来改善难熔MPEA的应变硬化，这通常会导致强度降低。典型的例子是TaxHfZrTi合金，通过使组成相亚稳态来激发相变诱导塑性，其拉伸延展性可达25%，但屈服强度相对较低，只有几百兆帕斯卡。

最近的研究重点是探索化学非均质性，如短程有序和局部化学波动(CFs)，作为提高耐火MPEAs延展性的有希望的途径。这些化学非均质性显示出通过有效捕获位错来延缓位错运动的能力，从而导致位错相互作用的增加，并显著提高了合金的应变硬化能力。然而，由于其尺寸较小(小于约3nm)，发现这些非均质性的强化效果有限。因此，缺乏其他强化机制导致屈服强度相对较低，低于1 GPa。如何通过协同提升强度和增强拉伸延性来打破耐火MPEA强度和延性之间的权衡，仍然是一个基础性和挑战性的问题。

HNTVA10合金的拉伸性能及与其他高性能bcc耐火MPEA的比较（图源自Nature ）

该研究开发了一种HNTVA10耐火MPEA，并在拉伸下表现出优异的强度-延性协同作用。这是通过负混合焓强化效应和相关的跨多个尺度的独特层次化学非均质性的产生来实现的。这些非均质性在延缓位错运动的同时促进位错相互作用和积累，从而延缓塑性不稳定性方面起着至关重要的作用。负混合焓固溶路线被证明是通用的和可重复的，并为其他MPEA体系提供了启发，这些体系可以同时提高强度和延展性。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06894-9

转自：“iNature”微信公众号

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