高熵合金（HEA）是具有多個主要元素的合金，具有近無限的多組分相空間，可能導致不尋常的力學性能。一些單相HEA具有良好的強度和延展性、高工作硬化性和卓越的損傷容忍度，這些HEA通過調整其化學成分會產生固有的濃度不均勻性。

此外，設計由分級晶粒尺寸、納米簇、多相等組成的空間異構微觀結構也可以使HEA獲得卓越的性能，類似于傳統(tǒng)異質結構金屬材料的性能。然而，傳統(tǒng)金屬材料的長期強度-延展性悖論在大多數HEA中仍然存在，那就是，無論是常規(guī)合金還是高熵合金，強度的增加是以延展性差為代價的。

HEA的強度和延展性之間的權衡是存在的，因為迄今為止報告的HEA的基本塑性變形特征和機理與常規(guī)金屬相似。攜帶可塑性的基本線缺陷——即完全位錯以及與高角度晶界（HAGB）或雙晶界（TBs）等不同結構缺陷的相關相互作用，在傳統(tǒng)金屬中非常清楚。

值得注意的是，由于原子尺度上的化學短程（SRO）和空間可變堆疊層錯能（SFE）的局部不均勻性，在HEA中發(fā)現了一些具有高度集中固溶體的不尋常的位錯行為。例如，通過增加納米（通常小于3 nm）的局部濃度波動或局部SRO，改變的位錯滑移模式的摩擦阻力增強被認為有助于提高力學性能。

近日，沈陽金屬所盧磊研究員在Science上發(fā)表成果，Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility，在本研究中，作者控制了梯度納米尺度位錯胞結構，該結構位于面心立方結構的穩(wěn)定單相HEA中，從而提高了強度，而不會明顯失去延展性。

這里提出了一種穩(wěn)定的單相面心立方體（fcc）Al_0.1CoCrFeNi HEA中的異構梯度位錯胞結構（GDS），該結構包含平均直徑約為46 μm的隨機定向等軸細晶粒（FG）。這種合金（Al_0.1CoCrFeNi）是一種經過深入研究的模型材料，局部變化的SFE為6至21 mJ/m²。

高熵合金的循環(huán)扭轉可以在不降低延展性的情況下增強強度。循環(huán)扭轉創(chuàng)造了從表面到內部的位錯梯度和低角度晶界，在最初應用拉伸應變時，在GDS HEA中發(fā)現了意想不到的極高密度的微堆疊層錯（SF）、孿晶成核和堆積主導的塑性變形。這些結構允許良好的延展性，同時有助于使合金變硬。

此外，SF誘導的可塑性和由此產生的精細結構，加上密集積累的位錯，有助于塑性、增強強度和工作硬化。

這些發(fā)現為納米梯度位錯胞的性能調控提供了一個很有前途的范式，并推動了我們對HEA固有變形行為的基本理解。

圖1. 典型的梯度位錯結構的顯微組織和結構梯度

圖2. GDS Al_0.1CoCrFeNi HEA的力學性能

圖3. GDS-H Al_0.1CoCrFeNi HEA在3%拉伸應變下的變形微觀結構

圖4. GDS-H Al_0.1CoCrFeNi HEA單軸張力期間，40%的拉伸應變和原位中子衍射測量的變形特征

盧磊，博士，女，中科院金屬研究所研究員、博士生導師，中科院人才計劃、國家杰出青年科學基金、國家級人才計劃獲得者，科技部“納米科技”重點專項總體專家組成員，遼寧省“興遼計劃”創(chuàng)新領軍人才等。

現任國際納米材料、國際材料強度大會委員會委員；Acta Materialia 和Scripta Materialia 期刊編輯。主要從事納米結構金屬材料的制備、力學性能及變形機理的基礎研究。發(fā)表SCI論文110余篇（其中包括Science 5篇，Nature 2篇）, 被SCI文章引用>15000次，獲國內發(fā)明專利15項，國際發(fā)明專利6項。近年來在國際學術會議做大會、主題和邀請報告70余次。曾獲中科院院長獎學金特別獎、全國優(yōu)秀百篇博士學位論文獎、中國青年女科學家獎、2014-2016年獲湯森路透“全球高被引用科學家”，2015-2020年獲愛思唯爾“中國高被引學者”、2019-2020年獲中國科學院“優(yōu)秀導師獎”、2021年獲“TMS Brimacombe Medal Award”等獎項。

Pan et al., Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility. Science 374, 984–989 (2021)

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj8114