近日，湖南大学机械与运载工程学院方棋洪教授课题组，联合香港城市大学杨勇教授团队在《美国科学院院刊》（PNAS）发表题为“Heterogeneous lattice strain strengthening in severely distorted crystalline solids”的研究论文，发现了高熵合金“非均匀晶格应变”强化新机制，开发了能够调控复杂化学成分材料强韧性的计算模拟方法，为设计高性能高熵合金和高熵陶瓷等具有严重晶格畸变材料提供了新策略。
与传统合金相比，高熵合金因具有严重的原子尺度晶格畸变，表现出高强韧、耐辐照、抗断裂和耐磨性等优异的力学性能，在航空航天、核电和化工等重要工业领域具有巨大应用潜力。然而，传统的Eshelby平均场方法难以捕捉非均匀晶格畸变，在介观尺度上尚未阐明“高强度-延展性”背后的物理机制，严重阻碍了高熵合金的设计开发及工业应用。
采用球差校正扫描透射电子显微镜获得了FeCoCrNiMn高熵合金非均匀晶格应变场，结合微米柱压缩实验清楚地证明了非均匀应变场对力学性能的重大作用，发现了由应变幅值和离散度控制的新的“非均匀晶格应变”强化机制，有别于析出相强化、固溶强化等传统强化理论。调控材料内在的非均匀晶格应变为开发先进的严重晶格扭曲晶体材料开辟了新的途径。
通过统计分析原子尺度晶格应变阐明了高熵合金非均匀晶格应变的分形特性，利用随机场理论将非均匀晶格应变场嵌入连续介质模型中，开发了非均匀晶格应变依赖的三维离散位错动力学方法，发现了非均匀晶格应变导致多重扭折/割阶和多向多重交滑移的不寻常位错行为，为探明高熵合金高强韧的起源提供了新的视角。
论文第一作者为湖南大学李甲副教授，从事先进合金强韧化建模及模拟研究，自2017年入职以来主持2项国家自然科学基金面上项目和1项湖南省优秀青年基金，并以第一及通讯作者在材料力学权威期刊Materials Horizons、Acta Materialia、Journal of the Mechanics and Physics of Solids、International Journal of Plasticity、Nano Letters、Cell Reports Physical Science、Journal of Materials Science Technology等发表多篇论文。湖南大学陈阳博士和香港城市大学赫全峰博士后为论文共同第一作者。论文通讯作者为湖南大学方棋洪教授和香港城市大学杨勇教授。湖南大学姜潮教授团队、中南大学刘咏教授团队等参与了该研究工作。
图1非均匀晶格应变场的实验表征和特征分析。
图2非均匀晶格应变诱发的非寻常位错行为。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2200607119