李东阳院士团队Science子刊：超高速应变下高熵合金的强韧化机制！
高熵合金因其优异的力学性能，近年来在学术界和工业界备受关注。作为目前最为广泛研究的高熵合金，Cantor合金（CrMnFeCoNi）在低温准静态载荷下展现出的超强断裂韧性令人印象深刻。同时，Cantor合金在室温下的吸能性能与传统装甲合金和许多商用结构材料相比也体现出相当的优势，这意味着高熵合金在抵抗高速变形方面具备巨大的应用潜力。在有限的报道中，固溶强化、位错强化、孪晶强化以及玻璃化等强化机制都曾被认为是影响高熵合金抵抗高速变形的主导因素。然而一直以来，对高熵合金在高速变形、尤其是弹道冲击等超高速应变下的动态响应和强韧化机制始终缺少系统的理论研究。
阿尔伯塔大学李东阳院士团队基于分子动力学计算模拟了高熵合金对弹道冲击和拉伸冲击的动态响应，首次对超高速应变下高熵合金中不同强化机制的协同作用进行了系统阐述，并从键合强度的角度出发提出了高熵合金抗冲击性能的调控策略，这促进了对高熵合金在超高速应变下强韧化机制的深入理解，对相关装甲材料和吸能材料的设计开发具有重要指导价值。该工作近期发表在Science Advances上，唐昀青博士为本文的第一作者，李东阳院士为本文的通讯作者。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp9096
图1 高熵合金板材的弹道冲击试验
如图1所示，真实的弹道冲击试验表明(图1A由国立台湾大学楊哲人教授提供)，降低锰元素含量可以有效提升Cantor合金板材的防弹性能，因此在分子动力学模拟中，作者评估了CrMnFeCoNi与CrFeCoNi板材在室温下的抗弹道冲击性能，并对比了两者在弹道冲击下的结构响应特征。分子动力学模拟成功地复现了实验中锰元素含量对高熵合金板材防弹性能的影响。结构分析表明，对于这两种高熵合金，子弹与合金板材接触区域的非晶化尤其在冲击初期吸收了大量的子弹动能，而相比于含锰的CrMnFeCoNi，不含锰的CrFeCoNi中更为活跃的平面滑移位错有效地抑制了结构损伤在材料中的进一步扩展。值得注意的是，在弹道冲击下，这两种高熵合金中都仅有少量的形变孪晶产生，大量的位错在抵抗变形的过程中起到了重要作用，这与低温准静态载荷下Cantor合金中以形变孪晶为主导的塑性变形机制显著不同。
图2 层错能和低温下拉伸冲击的分子动力学模拟
因此，作者通过层错能计算和低温下拉伸冲击的分子动力学模拟，研究了温度和应变速率对这两种高熵合金塑性变形机制的影响。如图2所示，对于这两种高熵合金，形变孪晶出现的概率随着温度的增加和拉伸应变速率的提高而降低，这导致在低温准静态载荷下高度活跃的形变孪晶在常/高温超高速应变下较难被激活，因此在常温弹道冲击中可以看到位错相比于形变孪晶更为活跃。此外，单轴拉伸结果还表明，CrFeCoNi相比于CrMnFeCoNi在模量、强度和韧性等方面都具备显著的优势。在弹性阶段，材料的模量和强度是原子间键合强度的宏观体现，因此在CrFeCoNi中添加锰元素会降低系统的金属键强度，从而降低材料的弹性力学性能，这与基于功函数对系统键合强度的判断是一致的（锰的功函数小于其他四种金属元素）。而在塑性阶段，材料的强度和韧性与材料的塑性变形机制密切相关。
图3 常温拉伸冲击测试下高熵合金的结构演变
常温下对拉伸冲击中高熵合金结构演变的观察则进一步阐明了锰元素对Cantor合金塑性行为的影响。如图3所示，这两种高熵合金的抗冲击性能都随着应变速率的升高而提高，这主要得益于其在更高应变速率下更为活跃的形变位错。而其中的CrFeCoNi在高速变形过程中表现出了更好的应变硬化能力和更高的韧性，这应当归因于其更强的金属键和更高的位错密度。值得注意的是，CrMnFeCoNi较低的固有层错能使其位错系统在应变过程中更早启动，而锰原子导致的晶格失配使这些位错更容易被钉扎，从而引起位错缠结以及进一步的局部结构玻璃化。然而这种更早的硬化行为并没有为Cantor合金的强韧化带来优势，这是因为锰元素的存在削弱了其金属键强度，导致其硬化区域更容易发生局部失效。这也是弹道冲击试验中CrMnFeCoNi相比于CrFeCoNi结构损伤区域显著更多的原因。
由此可见，高熵合金在弹道冲击等超高速应变过程中的强韧化是位错强化、固溶强化、孪晶强化、非晶化等多种强化机制间协同/竞争作用下的复杂结果，同时金属键强度的调控也是高熵合金塑性变形机制设计中必须充分考量的因素。对于特定的高熵合金系统，降低其中低功函数组分的比例可以在保持原有变形机制优势的同时增强系统的金属键，从而有效提高材料在超高速应变下的硬化效率和韧性，实现材料的吸能性能和抗冲击性能的大幅提升。
作者简介
李东阳博士，加拿大工程院院士，阿尔伯塔大学化学与材料工程系教授，兼任生物医学工程系教授，英国材料、矿物和采矿学会会士，英国物理学会会士。中国科学技术大学固体力学学士，中山大学固体物理学硕士，北京科技大学材料物理学博士，麦吉尔大学冶金工程博士。在1998年入职阿尔伯塔大学之前，曾在宾夕法尼亚州立大学担任博士后研究员。李东阳院士是18个国际期刊的编委，是多部权威手册（Elsevier，Springer和ASM International）的特邀撰稿人。荣获加拿大材料与冶金学会2020年度杰出材料科学家奖，曾任加拿大自然科学与工程研究理事会工业摩擦材料学部主席（1998-2001）。学术成果累计400余篇（部），其中期刊论文370余篇。研究领域包括材料设计、表面和界面、磨损和腐蚀、生物界面以及计算材料科学。
唐昀青博士，阿尔伯塔大学博士后。分别于2012年和2017年在中国矿业大学和江苏大学获得工程力学学士学位和机械工程博士学位。主要从事与微纳器件可靠性和微纳加工相关的表界面现象和材料力学性能研究，致力于解决材料/结构强度、微纳传热、微纳磨损等微纳制造可靠性设计中的共性基础问题。目前已在Science Advances、Cell Reports Physical Science、STAR Protocols、Carbon、Nanoscale、Wear等国际期刊发表学术论文50余篇。
*感谢论文作者团队本文的大力支持。
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