本报讯　 高熵合金（HEA）是合金家族近年来出现的新成员，因其独特而优越的性能而广受科学界关注。最新的科学研究发现，与传统合金相比，高熵合金内部的各元素分布存在明显的浓度起伏，这对它的高强塑性起到了决定性作用。近日，浙江大学电子显微镜中心教授余倩和美国乔治亚理工学院教授朱挺、加州大学伯克利分校教授Robert. Ritchie合作，破解了高熵合金强度与塑性兼得奥秘。该项成果于北京时间10月10日在线刊登在国际顶尖杂志《自然》（《Nature》）上。

　　何为高熵合金？这是由多种元素高浓度固溶在一起所形成的晶体结构清楚而元素分布混乱的固溶体，其中一种典型的高熵合金Cantor alloy由铁、钴、镍、铬和锰这几种元素组成。由于性能由结构决定，晶格又是位错等缺陷结构和行为的本征调控单元，解密高熵合金中基元-序构-性能的关联性是关键。然而铁、钴、镍、铬和锰皆为近邻，电负性、原子半径、原子序数等差异不大，从晶格尺度直接解析高熵合金的变形机理非常困难。

　　余倩课题组首先通过原子尺度的元素分布表征，揭示了高熵合金多种元素如何固溶在一起的重要疑问。“我们发现了高熵合金中独特的浓度波起伏，相比传统固溶体合金中在晶格尺度趋于平直的元素浓度波起伏，高熵合金中，即使是CrMnFeCoNi合金也存在各种元素的浓度在晶格间25%到15%的震荡。这样的浓度起伏会带来纳米尺度晶格阻力的震荡和局域层错能的变化。”余倩说。紧接着，通过在保证完全固溶的前提下增加元素间电负性和原子大小的差距，研究人员制备了纳米尺度各种元素浓度起伏在60%到0之间的CrFeCoNiPd合金。

　　在高倍电镜的放大下，研究人员看到，一条条的位错线，好像一浪又一浪的钱塘潮，滚滚向前。普通材料的位错线是沿着固定的滑移带像一线潮那样奔涌向前，但是CrFeCoNiPd合金中，位错线却走得磕磕绊绊。本来整体往前走的一线潮，就像遇到了丘陵般起伏的水底，改变了方向和形状，形成了“交叉潮”甚至“回头潮”。

　　“大量的交滑移作用，使得合金有更好的均匀变形能力又有更好的强度，鱼和熊掌可以兼得了。”课题组成员符晓倩说。

　　然而在普通材料中，出现如此大量剧烈的交滑移并不常见。实验发现，在CrFeCoNiPd合金中，钯的加入引起了所有元素浓度波起伏的加剧。由于浓度波的波幅大大增加，室温下材料塑性变形方式从传统的不全位错滑移、全位错滑移、孪晶变形等转变为罕见的大量均匀分布的交滑移为主导的变形方式。同时，原子内应力分布发生变化，引起极小空间尺度的晶格阻力震荡显著加剧，在保证相当水平塑性变形能力的情况下，强度显著提高。

　　该研究揭示了高熵合金中晶格调控力学性能的特殊机制，与传统的界面调控（包括晶界、相界、第二相界面等）以及团簇等精细结构调控相比，高熵合金中独特的浓度波调控极精细并具有连续性，是一种可控和高效的材料强韧化方法。学界认为，调控浓度波将成为一种普适性的方法，帮助人们高效地寻找到更优秀的合金材料。

　　本报记者　林洁　通讯员　吴雅兰　 柯溢能