金属材料强度国家重点实验室

近年来，物理冶金研究的新热点聚焦在“高熵(或中熵)合金” (high-entropy alloys and medium-entropy alloys, 以下简称 HEA)。涌现出的新科学问题之一，是HEA与化学无序的传统合金的结构不同：HEA是由等原子比或近等原子比的多种主合金元素组成的固溶体，不同或相同原子彼此必然频繁相遇。其间的化学相互作用，使原子相互之间倾向于吸引或排斥，即元素原子间有偏好地选择回避或聚集。其导致的不同程度的局部化学有序中，化学短程有序 (chemical short-range order, CSRO) 可以说是最难破解的。 这是因为，CSRO的尺度非常小，一般在亚纳米尺度，即原子第一近邻和次近邻原子层内。迄今为止，HEA中有很多CSRO的确凿证据一直没有找到。也不清楚CSRO中元素分布特征和原子堆垛构型。近日，金属材料强度国家重点实验室马恩教授、中科院力学研究所武晓雷研究员和清华大学电镜中心朱静院士等人通过设计系统且细致的实验和计算模拟，首次给出了中熵合金存在CSRO以及CSRO与位错交互作用的直接观察证据。相关论文以题为“Direct observation of chemical short-range order in a medium-entropy alloy”于2021年4月28日发表在Nature上。研究者们利用配备了能量过滤系统的双像差矫正透射电子显微镜，找到合适的晶带轴，综合运用选区和微区电子衍射、高角环形暗场(HAADF)高分辨成像及其傅氏变换(FFT)和反傅氏变换(IFFT)、能量过滤暗场成像、以及原子尺度的化学元素面分布(EDS-Mapping)测试等手段，在中熵VCoNi合金中清晰地看到了CSRO，获得了CSRO的电子衍射晕圆证据、及其尺寸、组成元素占位和三维构型的信息。化学元素分布测试表明在相邻{113}面上和在（111）面上的相邻原子柱间，都具有富V/富(Co/Ni)/富V这样交替的元素分布和占位特征。作者们设计了空间分布关联系数来分析在不同距离时元素间倾向于聚集(相关系数为正)还是互斥(负)，并通过计算模拟，证明V-V规避和V-Co/Ni近邻可降低能量，是CSRO形成的驱动力。此外，应变图谱证实了拉伸变形过程中CSRO与位错发生的交互作用，提示CSRO对强化、应变硬化和塑性行为等力学性能都将起到重要的作用。

图1 中熵VCoNi合金化学短程有序的选区、微区衍射、能量过滤暗场像，高角环形暗场高分辨成像及其傅氏变换和反傅氏变换以及尺寸分布。

图2 化学短程有序的元素分布与占位以及空间分布关联系数和蒙特卡洛计算模拟。

图3 化学短程有序与位错的交互作用以及拉伸变形前后短程有序区域应变演化。

此工作首次直接实验证实了中熵合金化学短程有序及其与位错的交互作用，为理解高熵合金的基本微结构特征以及设计高性能的高熵合金提供了新的思路。