徐先东教授课题组在高熵合金中发现“溶质”诱导合金软化现象

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高熵合金（high-entropy alloys）是一类通过调制结构有序金属材料中的“熵”和“化学无序（chemical disorder）”两个参量来实现的一种全新的合金材料。高熵合金作为一种新型合金设计理念的产物，因其具有较多的组元和较高的组元浓度，在热力学和动力学上可以分别具有更低的吉布斯自由能和更慢的元素扩散效应。同时，热力学上的温度和混合焓对合金的相稳定性也极其重要。
       高熵合金的概念最早由我国台湾学者叶筠蔚教授在20世纪90年代首次提出，目前已经扩展到了高熵薄膜、高熵陶瓷、高熵硬质合金、高熵轻质合金、高熵高温合金、高熵钢铁、高熵抗辐照材料以及高熵软/硬磁材料等。研究发现某些高熵合金在热稳定性、抗拉强度、抗辐照能力、塑性、耐磨性、硬度等方面优异于传统合金。因此，高熵合金在国内外具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

       尽管高熵合金的研究已经取得了阶段性的突破，特别是一系列具有实际工程应用前景的高熵合金材料被开发出来。然而，高熵合金领域目前还存在诸多亟待解决的科学问题。特别是针对引入“化学无序”的单相固溶体高熵合金，由于其具有较高的组元浓度，研究者们很难区别溶质和溶剂原子。因此，传统的位错在溶剂原子中移动与溶剂原子相遇产生强化效应的模型并不一定适用于高熵合金。虽然瑞士洛桑联邦理工学院的W.A. Curtin教  授等通过修改传统的固溶强化模型来预测高熵合金的强度并取得了一定的成功，但是可用于建立模型的单相固溶体合金的实验测量数据较少。基于此，湖南大学材料科学与工程学院的徐先东教授课题组通过在五元CoCrFeMnNi高熵合金中添加微量Al元素来引入“溶质”，这时五元高熵合金本身可以简化为一个“平均的溶剂基体, M”，而合金可以简化为含溶剂原子M和溶质原子Al的稀释固溶体。通过添加微量Al元素，使高熵合金既能保持单相固溶体结构，避免固溶体分解或相变，且不影响高熵合金的晶粒度，可以排除晶粒度变化对力学性能的影响，又能测量出微小的力学性能差别。研究发现，微量Al元素添加导致合金软化，这种软化可以归咎于Peierl's stress降低所致。此外，Al元素添加还导致位错面滑移增强，通过理论计算发现层错能增加，因此面滑移增强的原因可能是由于短程有序原子团所致。此发现有助于理解多元合金中溶质的强化效应和溶质-位错反应机理，为开发高性能高熵合金提供理论指导思路。
       相关成果发表于金属材料权威专刊Scripta Materialia，湖南大学材料学院程清博士为第一作者，徐先东教授与瑞典KTH - Royal Institute of Technology的Xiaoqing Li研究员以及美国霍普金斯大学Mingwei Chen教授为共同通讯作者。论文信息如下：
Q. Cheng, X.D. Xu*, X.Q. Li*, Y.P. Li, T.G. Nieh & M.W. Chen*, Solid solution softening in a Al0.1CoCrFeMnNi high-entropy alloy, Scripta Materialia 2020, 186: 63-68. (https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.04.034)


       文章来源：湖南大学
       徐先东, 男，贵州遵义人，2016年博士毕业于日本东北大学材料学专业，博士至今一直从事合金开发以及表征工作，在新型金属结构和金属(磁性)功能材料等领域做出了较突出的成果。主要从事金属结构材料构性研究， 高性能稀土永磁材料制备及组织表征等研究。以第一和通讯作者先后在Acta Materialia (6篇)、 Materials Research Letter (2篇)、Scripta Materialia (2篇)、Materialia (3篇)等（金属）材料专业类期刊发表14篇论文。