高熵合金由多种主要元素组成，具有化学复杂性，其优异的力学性能引起了广泛关注。在实际应用中，无论是制备过程还是使用过程中都会不可避免地形成各种微观缺陷，如位错、层错、晶界等。这些结构的存在往往成为合金力学行为的短板，比如氢脆导致的晶界脆化是一个长期存在的问题。通常，合金中围绕扩展缺陷的元素偏析会对力学性能产生深远影响。在由多元主要元素组成的高熵合金中，这种元素偏析的驱动力通常与化学短程有序（CSRO）的形成相互竞争，使得高熵合金中的元素偏析机制变得复杂。目前对扩展缺陷附近偏析的有限研究主要集中在晶界，而其他缺陷结构（如位错，层错）中的偏析现象的研究仍然有限，因此缺乏对高熵合金中一般扩展缺陷与成分不均匀分布的研究。另一方面，这种成分不均匀所导致的材料强化或者弱化机制仍然不清楚。在多组元的复杂高熵合金中，传统的偏析能理论是否仍胜任也有待商榷。

基于此，香港城市大学赵仕俊和杨涛团队通过结合分子动力学模拟和力学实验，系统地研究了CoNiCrFe高熵合金中不同的扩展缺陷结构类型附近的化学成分和结构变化，包括位错、堆垛层错和不同类型晶界等，以探索化学-结构-力学关系。结果发现在考虑的所有扩展缺陷周围都存在明显的Cr富集和Co/Ni/Fe消耗的普遍偏析现象。这种元素偏析现象也在实验中晶界结构附近得到了观察和证实。通过计算，揭示了结构无序程度与缺陷附近的化学偏析/消耗现象之间的相关性，揭示了化学成分-结构在元素偏析中的关系。作者计算了不同缺陷模型中偏析对强化贡献，包括位错模型中由位错与溶质原子交互作用导致的强度以及层错和晶界模型中界面解理能，揭示了偏析和CSRO会影响位错强化效应和界面脆化抵抗能力。由于高熵合金中的极端化学复杂性，CSRO不可避免地对元素的重新排列产生影响，并影响缺陷结构所引起的元素偏析。

作者通过将元素偏析和CSRO解耦，分析了两者在合金强化方面的相对贡献。通过对添加不同铁含量的CoNiCrFe的实验比较，包括提高的极限抗拉强度和延伸性，作者从实验上证实了元素偏析对界面性能的积极影响。通过对偏析理论和模拟结果得到的偏析能量进行比较和分析，作者发现偏析熵在调控高熵合金偏析中起着关键作用，不能忽视。仅有焓项无法完全解释偏析趋势。多组元高熵合金中的偏析强化效应可以通过对元素在晶内和晶界位点强度的相对贡献来解释。经过计算，在CoNiCrFe中Cr为晶界强化元素（富集在晶界处），而Ni/Co弱化晶界（在晶界处贫乏，主要分布在晶内）。缺陷偏析所产生的强化效应是由这些元素共同产生。

以上研究结果揭示了高熵合金中的普遍元素偏析现象对缺陷结构的影响和元素分布的机制。这对于我们通过调控成分变化来操控高熵合金的力学性能具有重要意义。相关研究成果以“Mechanism of elemental segregation around extended defects in high-entropy alloys and its effect on mechanical properties”为题发表在《Acta Materialia》上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119537

图 1缺陷结构的示意图：（a）无缺陷的随机固溶体系，（b）Shockley不全位错模型（SPD）和（c）层错（SF）模型；（d）-（f）分别为晶界1（非对称倾斜晶界，ATGB-GB1，13<320>）、晶界2（对称倾斜晶界，STGB-GB2，?11<332>）和晶界3（非对称倾斜晶界? ATGB-GB3，13<100>）。

图 2 在1000 K下MC/MD模拟得到的偏析模型的原子组态和相应的原子分数、中心对称参数（CSP）和结构无序参数（hDis）：（a）位错模型（SPD），（b）层错模型（SF），（c）晶界1（GB1），（d）晶界2（GB2）和（e）晶界3 （GB3）模型。原子组态置分别为原子类型、应力、CSP和结构类型。相应的与偏析相关的性质随位置改变，包括元素含量分布、CSP和结构无序度。

图 3 25Fe和10Fe合金晶界附近的元素分布。

图 4 不同温度下缺陷结构失序参量（）随Cr元素含量相对晶内成分的过量参数（）的变化：（a）位错模型，（b）层错模型，（c）所有晶界模型（晶界1，晶界2，晶界3）。尽管数据点有限且相对分散，但是可以看出元素的异质分布可能与缺陷结构的失序直接相关。对于位错和层错模型，低铁浓度模型中获得的数据标记为蓝色区域；其他具有高铁含量的数据标记为红色。晶界模型中更分散的数据点与不同类型的晶界相关，这些晶界结构差异性大。

图5. （a）层错（SF）和（b）晶界模型2 （GB2）的界面结合能. “Ran-”是随机固溶体系。“Seg-”是偏析体系。

图 6. 晶界模型中化学短程有序(CSRO)和元素偏析的相对贡献。在偏析晶界中由化学不均匀导致的偏析效应()主要来自三项：。 其中，  是由于晶界偏析带来的能量降低。为CSRO的贡献，可看作在同组态无缺陷的结构中仅有CSRO一项成分不均匀时体系能量的降低。 则是由于偏析使合金成分偏离名义成分所带来的对CSRO的影响。

图7. 三种成分合金在(a)充氢和(b)未充氢状态下的工程应力-应变曲线，(c)及其比较。充氢前后(d)极限抗拉强度, (e)延伸率，及其(f)及其比较。元素偏析使充氢后合金的抗拉强度和延伸率的损失得到了抑制，甚至提高了合金的抗拉强度。

图 8. 25Fe合金不同元素在晶界模型中不同位点的静态偏析能: (a) GB1, (b) GB2, and (c) GB3. 实线的点线表示的是通过模拟结果反推出的偏析能() 。虚线为使用经典偏析能理论计算出的偏析能结果().

图9. 元素n在 (a) 晶内块体区域和(b)晶界不同位点处置换为溶质m产生的能量变化。图(c) 为溶质n在晶界处与晶内块体区域的替换能之差 (晶界-块体，GB-bulk)。当图c中能量为负数，表明元素为晶界强化元素；反之，为晶界弱化元素。