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人类制造合金的历史由来已久，盛行商周时期的青铜器，就是以铜为主的铜锡合金；铝中加入少量的镁和硅，就是制造铝合金门窗的材料。可以看到，传统的合金都以一种主材唱“主角”，含量超过50%。而高熵合金与众不同，它是由多种元素以近乎等比例的配比混合而成，没有“主角”“配角”之分，那么这是否意味着全新的性能？

图：生活中常见的传统合金材料（图片来源：网络）

许多人知道，包括合金在内的绝大多数材料在低温下会脆化，即塑性显著降低甚至完全无塑性。例如将一块橡胶放入液氮，它就变得像玻璃一样一敲即碎。2014年，论文合作者之一Robert. Ritchie教授与橡树岭国家实验室的Easo George教授共同发现了一种由铁、锰、镍、钴、铬组成的高熵合金（CrMnFeCoNi）在零下200℃的液氮温度附近反而展现出更好的塑性，这一神奇的性能震动了学术界，也激发着许多科学家去寻找它天赋异禀的“基因。”

在浙江大学电镜中心，丁青青尝试用透射电镜去观察CrMnFeCoNi合金内部各种元素的分布。研究发现，高熵合金存在一种特别的现象：构成它各种元素的浓度在晶格间存在25%到15%的震荡。“而在传统固溶体合金体系中，因为只有一种主材，元素分布的浓度在晶格尺度是基本平直的。”余倩说。

这种浓度震荡意味着什么？能否把震荡“放大”来研究？研究团队提出，“浓度波”将是研究高熵合金性能的特有的突破点。于是，贝红斌教授创造性地将CrMnFeCoNi合金中的锰替换为钯。余倩解释，CrMnFeCoNi合金的组成元素在元素周期表上都为邻近元素，它们的电负性、原子半径、原子序数等差异不大，很难对其进行进一步辨别，而“个头”相对较大的钯，将改变原有的元素分布格局，让科学家更容易观察到其中的分布变化。

图：CrFeCoNiPd合金中的五种组成元素的分布情况

在合金材料的内部，原子呈周期性规律排布，如果某些地方丢失或多出了几个原子，形成局部的缺陷，科学家称之为位错。在外力作用下，金属容易在缺陷部位发生断裂，而在一定的应力范围下，位错会沿着一个方向滑移，让材料具有塑性变形的能力，宏观体现为韧性。

“这里有一对矛盾：高强度要求位错不容易动，韧性又要求位错容易动。所以大部分材料没法做到强度与韧性兼得，而高熵合金则一种矛盾统一的神奇存在。”余倩介绍，研究团队通过一组“拉伸”实验来探究其中的奥妙。

视频1：CrFeCoNiPd合金中较大晶格阻力导致位错在FCC晶格中滑移时即可产生位错塞积

视频2：CrFeCoNiPd合金中位错塞积将导致高密度交滑移、二次交滑移

在电镜下，科学家捕捉到了高熵合金中位错移动的独特方式。在较大的内部应力下，材料发生了位错塞积，许多个位错在某处“停滞”不前，从而进一步导致高密度的交滑移、二次交滑移。“位错滑移的路线从原来平直的‘高速公路’，转变为布满崎岖的乡间小道。”余倩指出，正是元素分布呈剧烈的浓度波动，让材料内部产生了大量的交滑移，位错保持持续的、微小的运动，较大应力因此化解为微小的作用力，从而赋予材料又强又韧的性能。

“这是我们首次在实验中观测到高熵合金的交滑移现象，这种现象在室温下非常罕见，通常位错交滑移常发生于高温形变。”丁青青说。这原来就是高熵合金强韧兼备的关键机制。通过测试，拥有较大浓度波起伏的CrFeCoNiPd合金与CrMnFeCoNi相比，在保证相当水平的塑性变形能力的情况下，强度提高了50%。

余倩说，材料通过均匀分布的交滑移来提升强韧性的现象，是继传统的不全位错滑移、全位错滑移、孪晶变形之后，发现的一种全新的塑性变形方式。 

高熵合金是一个被科学界给予厚望的领域，许多极端、严苛的应用场景，都等待这种合金去发挥独特作用。但是，这一领域既充满想象空间，又让人望而生畏。原因在于其广阔的可能性。有人打过比方，如果从60余种商业合金中常见的元素中选出5种进行排列组合，组合数目将有1040种，如果各个元素之间的成分稍有微调，那么可能性将继续增长。

摆在科学家面前的问题是：我们怎样高效地找到优秀的材料？“我们意识到，只有认识了高熵合金的本质，破解决定它性能的关键‘基因’，才能对它进行有效的调控。”余倩说。

在这项研究中，科学家们构建起了从原子、到微观结构再到宏观性能的系统化研究，他们建立了用浓度波调控强韧性的机制，并成功实现了材料强韧化的提高，改善了材料性能。“我们认为，这种方法不仅在高熵合金中适用，也可以运用到其他合金体系中。”余倩说。

文 |  周炜

图 |  课题组

编辑 | 周炜

转载请注明来源 |  浙江大学学术委员会