物理学家首次发现超低温下高熵合金的多阶段变形

由香港城市大学 (城大)科学家领导的一个国际研究团队，最近首次发现於超低温下，高熵合金 (high-entropy alloys) 的变形机制原來分为多个阶段，因而展现出非凡的力学性能。他们的发现或为研发应用於低温的新结构材料带来启示。

领导这项研究的， 是刚获选为美国中子散射学会会士 (Fellow of the Neutron Scattering Society of America) 的城大物理学系主任兼讲座教授王循理教授。他与日本以及中国内地的科学家携手，對高熵合金在超低温的变形行为进行原位研究。相关研究结果发表在最新一期的科学期刊《科学进展》 (Science Advances)，题为〈Cooperative deformation in high-entropy alloys at ultralow temperatures〉。

中子散射技术: 强大的测量工具

高熵合金是新型结构材料，具有多种卓越力学性能，例如拥有出色的强度兼延展性丶高断裂韧性和耐腐蚀性。它由多种主要元素组成，所以衍生出复杂的变形行为。

一般而言，材料在低温下会因为原子被 “冻住”了而失去流动的能力, 所以变得易碎。但是，高熵合金反而在低温下具有很高的延展性，可以被拉伸到较大的变形。 “这个现像在2014年首次被发现，但其背後的机制仍属未知，很引人兴趣。” 从那时起开始研究该变形机制的王教授说。王教授是这篇论文的通讯作者。

为了解开这个谜团，由王教授领导的研究团队利用原位中子衍射（中子散射的一种）技术，以研究高熵合金的变形过程。身兼城大中子科学技术中心主任的王教授解释说： “中子衍射测量是观察材料实际变形过程的仅有几种方法之一。我们可以观察到每个步骤：首先出现的是哪种机制，和机制之间如何互动，这些是用传统实验方法如透射电子显微镜所不能观察到的。”

王教授续说： “更重要的是，原位中子衍射技术可以在接近绝对零度的超低温下进行测量，而且测量到的是样本的整体情况，而并非只是它的表面或局部区域，并提供了变形过程的微观机制，例如材料的不同晶粒之间的相互作用。”

 

首次揭示各种变形机制出现的次序

 

透过使用原位中子衍射技术，研究团队首次揭示了高熵合金在超低温时出现各种变形机制的次序。他们发现温度降至15 K（K是绝对温度单位，15 K等同摄氏零下258.15度）时，高熵合金的变形分为四个阶段。

变形过程的第一个阶段是 “位错滑移”（dislocation slip），即晶格面互相滑动，这是面心立方 (face-centered cubic) 晶体结构材料一种常见的变形机制。当位错滑移持续， “堆垛层错” （stacking faults）逐渐变得活跃并开始主导变形的过程，此时晶格平面的堆叠次序会因为变形而改变。接下来会出现 “孪晶”（twinning），晶格平面的位向出现错误，导致出现母晶体的镜像。最後会过渡至 “锯齿流变行为”（serration）， 高熵合金会呈现出大振幅的变形应力。

即将毕业的城大物理学系博士生兼高级研究助理Muhammad Naeem说: “观察这些机制如何在材料变形时发挥作用并相互配合, 是很有趣的。” 他是该论文的第一作者。

研究人员在实验中发现，随着温度降低，高熵合金显示出更高且更稳定的应变硬化（应变硬化意指材料在变形後变得更强及更硬），并且呈现出很大的延展性。研究人员对原位实验数据进行定量分析後得出结论：堆垛层错丶孪晶和锯齿流变行为这三种观察所得的变形机制，以及这些机制之间的相互作用，正是高商熵合金具备卓越力学性能的原因。

未知的新领域: 超低温下的变形

研究团队用上接近三年完成整个研究，然而这个领域还有很多值得进一步探索之处。王教授说: “高熵合金在超低温时呈现的复杂变形机制，是一个全新领域，曾涉足探索的人并不多，而我们这项研究的结果仅仅显示了新领域的冰山一角。 “

研究团队下一步将会研究其他合金何时会出现堆垛层错，以及它们在不同温度时的变形机按钮。Naeem说: “理解变形机制有助研发新合金。通过运用不同机制的协同效应，我们可以加以调控这些机制，使材料在低温环境应用时具备更佳的力学性能。 “

研究团队中来自城大的成员包括大学杰出教授刘锦川教授、材料科学及工程学系副教授王锋博士，以及来自物理学系的王冰博士、兰司博士、吴桢舵博士和何海燕。

其他共同作者包括北京科技大学的吕昭平教授与吴渊教授、日本质子加速器研究中心(The Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC)的 Stefanus Harjo博士与川崎卓郎博士、以及哈尔滨工程大学的张中武教授。

 

这项研究获得裘槎基金会、香港研究资助局、国家自然科学基金会、深圳市科技创新委员会以及中国科学技术的的资助。

DOI number: 10.1126/sciadv.aax4002

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