西工大《IJP》：“大禹治水”理念治理位錯-實現(xiàn)難熔多主元合金強(qiáng)韌化

難熔多主元合金憑借優(yōu)異的耐高溫性能與高強(qiáng)度特性，在航空航天、能源裝備等高端工程領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，但其室溫拉伸延性普遍偏低，已成為制約其工程化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，位錯的平面滑移與位錯通道效應(yīng)會誘發(fā)塑性應(yīng)變局部化，這一現(xiàn)象恰似洪水在狹窄河道內(nèi)潰堤，最終導(dǎo)致合金過早發(fā)生頸縮斷裂。如何通過精準(zhǔn)調(diào)控位錯行為，在確保合金保持千兆帕級高強(qiáng)度的同時實現(xiàn)延性提升，始終是該領(lǐng)域的核心難題。

回溯上古時期，大禹治水時摒棄“堵截”之法、改用“疏導(dǎo)”策略，引洪水入江河以平九州水患，這一蘊(yùn)含東方智慧的治水理念跨越千年時空，為材料科學(xué)研究提供了創(chuàng)新靈感。西北工業(yè)大學(xué)王錦程教授團(tuán)隊受此啟發(fā)，創(chuàng)新性提出“堵疏結(jié)合”的位錯工程新策略——通過在鑄態(tài)難熔多主元合金(RMPEAs)中構(gòu)建河流狀位錯通道，既以通道邊界“筑壩”保障強(qiáng)度，又借通道內(nèi)交滑移“分流”促進(jìn)塑性變形均勻化，最終成功實現(xiàn)了合金強(qiáng)度與延性的協(xié)同提升。研究成果以River-like dislocation channel unleashes high tensile ductility in as-cast refractory multi-principal element alloys為題發(fā)表在International Journal of Plasticity上。論文第一作者為博士研究生崔丁聰，通訊作者為王錦程教授和何峰教授，西北工業(yè)大學(xué)為通訊單位。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104497

該團(tuán)隊以鑄態(tài)Ti-V-Hf 體系為模型合金，通過調(diào)控晶格畸變 ( 以原子體積錯配 δv 量化 ) 和化學(xué)成分起伏 ( 以 Warren-Cowley 參數(shù)表征 ) ，設(shè)計出兩種難熔多主元合金 ( 圖 1) ： V15 （ Ti53V15Hf32 ）： δv=5.3% ，合金內(nèi)原子呈隨機(jī)分布特征； V27 （ Ti41V27Hf32 ）： δv=6.1% ，存在顯著化學(xué)成分起伏 ( 圖 2) 。

圖 1難熔多主元合金V15與V27的設(shè)計依據(jù)

圖2難熔多主元合金V15與V27的原子分布

圖3所示室溫單軸拉伸測試結(jié)果表明：合金V27屈服強(qiáng)度高達(dá)1106±26 MPa、斷裂伸長率為20.8%±1.9%，而V15僅為923±22 MPa與12.4%±1.2%；且V27的均勻延伸率(~13%)遠(yuǎn)高于V15(~2%)。進(jìn)一步通過數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)表征的局部應(yīng)變分布顯示，無論是在頸縮起始階段，還是在斷裂前的臨界狀態(tài)，V27合金的應(yīng)變均呈現(xiàn)出更為均勻的分布特征；而V15合金則存在應(yīng)變局部化現(xiàn)象，這也證實了V27可通過抑制應(yīng)變集中，實現(xiàn)更穩(wěn)定的塑性變形過程。

圖3具有優(yōu)異性能的V27合金，突破強(qiáng)塑性倒置關(guān)系

圖4通過對V15與V27合金變形行為的表征證實，位錯滑移是二者共同的主導(dǎo)塑性變形方式。差異在于，V15合金中位錯主要以平面滑移帶形式分布，大量位錯易在滑移帶內(nèi)發(fā)生塞積并受阻，難以繼續(xù)運動，導(dǎo)致合金的應(yīng)變硬化能力快速飽和，無法支撐后續(xù)塑性變形；而V27合金中則形成了河流狀位錯通道，位錯在通道壁處無明顯塞積現(xiàn)象，利于合金實現(xiàn)持續(xù)塑性變形。

圖4同等應(yīng)變下難熔多主元合金V15與V27的位錯組態(tài)

圖5所示原位同步輻射高能X射線衍射(Synchrotron HE-XRD)結(jié)果表明，兩種合金在整個拉伸過程中，除體心立方(BCC)相的特征衍射峰外無其他額外衍射峰產(chǎn)生，未伴隨相變或?qū)\生過程，從而排除了非位錯機(jī)制對塑性變形的干擾。其次，應(yīng)變硬化率(SHR)曲線顯示V15的SHR呈單調(diào)下降，而V27的SHR呈現(xiàn)“先快速下降-再穩(wěn)定上升-后緩慢下降”的三階段特征，其中第二階段(應(yīng)變6%~13%)的SHR持續(xù)上升，為合金維持高延性提供了關(guān)鍵支撐。通過卷積全譜擬合(CMWP)法分析XRD數(shù)據(jù)得：V15位錯密度在變形初期便快速增長至6.36×101? m?2并進(jìn)入飽和狀態(tài)；而V27位錯密度則隨變形持續(xù)增長，直至斷裂前達(dá)到8.24×101? m?2。此外，位錯特征參數(shù)q演化結(jié)果顯示：V15始終在整個變形過程中始終以刃型位錯為主，位錯運動易受平面滑移限制；而V27則從變形初期的刃型主導(dǎo)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹泻笃诘穆菪臀诲e主導(dǎo)，助力交滑移和位錯通道的形成。

圖5拉伸變形中V15與V27的應(yīng)變硬化率、位錯密度及類型的變化趨勢

圖6所示為“河流狀位錯通道”的演化歷程與作用機(jī)制，隨拉伸應(yīng)變變化呈現(xiàn)出不同的位錯組態(tài)：

• 3%應(yīng)變：位錯運動以平面滑移為主，由刃位錯排列和長直螺位錯逐漸構(gòu)成位錯壁；其中，刃位錯與螺位錯作用形成的彎結(jié)可沿滑移方向運動，有效維持塑性流動。

• 7%應(yīng)變：前期形成的位錯壁進(jìn)一步演化，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈虊螤畹耐ǖ肋吔纾ǖ离r形顯現(xiàn)。

• 10%應(yīng)變：河流狀位錯通道正式形成。一方面，螺位錯主導(dǎo)的交滑移行為可有效繞過通道內(nèi)的障礙物，促進(jìn)位錯離域化，避免應(yīng)變集中；另一方面，通道邊界處的位錯釘扎點可作為Frank-Read(F-R)源發(fā)射新位錯，高效實現(xiàn)位錯增殖。隨著應(yīng)變繼續(xù)增大，不同滑移面上的位錯通道發(fā)生交互作用，產(chǎn)生位錯纏結(jié)，可補(bǔ)償因交滑移導(dǎo)致的應(yīng)變硬化率下降；

• 15%應(yīng)變：位錯纏結(jié)促使通道邊界加寬，最終形成“窄通道+ 厚堤壩”的復(fù)合位錯組態(tài)，該組態(tài)繼續(xù)提供加工硬化效果。

圖6 V27中“河流狀位錯通道”的演化行為

相比于合金V15中位錯在平面滑移帶內(nèi)大量塞積(類似洪水堵塞河道)，V27通過調(diào)控晶格畸變與成分起伏構(gòu)建位錯分流器，一方面實現(xiàn)位錯運動的離域化，避免應(yīng)變集中；另一方面依托河流狀位錯通道保障位錯可持續(xù)增殖，呼應(yīng)了“大禹治水”中“堵疏結(jié)合”的核心理念。基于此，本文針對難熔多主元合金的“位錯治理”途徑可總結(jié)為：

1. 調(diào)控合金元素配比以增大原子體積錯配度，激發(fā)螺位錯形核；

2. 借原子團(tuán)簇產(chǎn)生劇烈成分起伏，通過釘扎效果誘導(dǎo)螺位錯交滑移；

3. 依托螺刃位錯交互作用形成的河流狀位錯通道，助力位錯可持續(xù)增殖，維持加工硬化能力。

最終，避免了應(yīng)變局部化與過早頸縮，突破了RMPEAs的強(qiáng)度-延性倒置關(guān)系。原文中還明確了晶格畸變與化學(xué)成分起伏對位錯組態(tài)演化及運動行為的影響機(jī)制，揭示了河流狀位錯通道形成的本質(zhì)(請詳見原文)。

西北工業(yè)大學(xué)材料微觀組織計算與合金設(shè)計課題組長期深耕于材料基因工程、先進(jìn)金屬材料研發(fā)、增材制造控形控性、鑄造熔煉工藝仿真、輻照組織模擬預(yù)測、機(jī)器學(xué)習(xí)與集成計算等領(lǐng)域，在金屬領(lǐng)域頂刊Nature Communications/Acta Materialia/International Journal of Plasticity等上已發(fā)表高水平論文50余篇。課題組網(wǎng)站：http://www.jchwang.com

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝作者團(tuán)隊支持