凭借独特的多组元设计和复杂的相结构相互作用而展现出优异的综合性能的高熵合金（HEAs）是近年来快速发展的新型材料体系。但正因其复杂的组元和相结构，在外加载荷作用下，其塑性变形机制仍然存在诸多未被系统研究的问题，例如影响合金强韧性的重要因素——扭折带（kink band）的形成及其与位错的相互作用规律就是其中之一。

上海交通大学李金富教授团队于2025年8月29日在《Acta Materialia》期刊发表了题为“High-entropy alloys: kink band formation and dislocation evolution”的最新研究工作，研究团队深入探讨了高熵合金在塑性变形过程中的位错演化和扭折带的形成机制，并揭示了合金在复杂载荷下的微观结构调控规律，通过引入Hf-Ta协同设计，在Ti₃₅Zr₃₅Nb₁₀Hf₁₀Ta₁₀难熔高熵合金中实现了强度与塑性的平衡。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121492

【核心内容】

在这项研究中，团队通过Hf增韧与Ta强化，共同诱导出显著的局部化学涨落（LCFs），促进扭折带形成，获得了室温下1GPa屈服强度和25.6%延伸率的Ti₃₅Zr₃₅Nb₁₀Hf₁₀Ta₁₀难熔高熵合金，实验表征与DFT计算表明，Hf–Ta协同效应通过复杂的相互作用机理，使扭折带在变形早期即可形成，有效缓解应力集中并提升应变硬化能力。

图形摘要

【研究方法】

在高纯氩气保护下，在水冷铜坩埚中电弧熔化高纯Ti、Zr、Nb、Hf和Ta金属（纯度为>99.95 wt.%），制备Ti₃₅Zr₃₅Nb₁₀Hf_20-xTa_x（x=0，5，10，15，20）和不含Hf/Ta的基体合金Ti_43.75Zr_43.75Nb_12.5进行比较。为了一致性，所有的显微组织表征样品均取自矩形铸锭的四分之一厚度区域，观察平面平行于侧面。拉伸性能测试按ASTM E8/E8M-24标准进行，应变速率为5×10^-4s^-1。采用SEM、EBSD和EDS对合金的微观结构、元素分布和相结构进行了表征。

【研究成果】

① 卓越的力学性能

研究团队制备的Ti₃₅Zr₃₅Nb₁₀Hf₁₀Ta₁₀合金在铸态条件下即可表现出优异性能，屈服强度~1GPa，断裂延伸率高达25.6%，弹性模量仅为54.6GPa，其性能超越了多数经复杂热处理后的难熔合金，同时弹性模量接近人体皮质骨，有望兼具工程与生物医用潜力。

应力–应变曲线及不同成分合金的力学性能对比

② 扭折带的形成与晶粒取向演化

拉伸过程中，Hf₁₀Ta₁₀合金中普遍形成扭折带。这些局域折曲带能够缓解应力集中，促进晶粒间的协调变形，从而推迟颈缩和断裂。与只含Hf或只含Ta的合金相比，Hf–Ta协同显著提高了扭折带的数量和稳定性。

拉伸断裂后EBSD晶粒取向图

颈缩阶段晶粒中扭折带的出现及取向变化

断口附近扭折带的取向与应力分布

③ 位错演化与应变硬化机制

在屈服阶段，合金主要通过平面滑移变形，伴随少量交叉滑移。随着变形加深，位错缠结与短化现象明显，特别是边位错在扭折带边界处易于钉扎和累积，推动扭折带的形成。最终，材料的塑性由大量长直的边位错主导，这一异常机制区别于传统难熔合金中的螺位错主导。

屈服阶段的EBSD与KAM图

TEM 观测到的位错滑移迹线与缠结

断裂后的TEM双束分析

④ 扭折带的微观机制解析

在塑性变形过程中，a/2<111>{110}和a/2<111>{112}的边位错形成了大量的扭折带，这些扭折带不断旋转晶格以适应局部高应变，并激活滑移系统以保持有利的取向，通过促进均匀塑性变形和减轻应力集中来提高材料的延展性，同时阻碍部分位错运动。此外，低角度平行带和扭折带之间的转换提供了额外的位错源和滑移路径，进一步增强了塑性变形能力。

断裂后扭折带的形貌与取向差

平行低角度带与扭折带的转化关系

扭折带与滑移迹线的相互作用

⑤ 原子尺度机制与电子结构贡献

透射电镜和第一性原理计算揭示，Hf与Ta的协同作用在合金中引发LCFs，这些原子团簇增强位错钉扎，诱导扭折带形成。电子态密度分析表明，Hf提供高电子迁移率、改善塑性，而Ta增强电子定域、提升强度，两者形成互补，从而实现强韧性平衡。

HAADF-STEM图像揭示Hf/Ta富集的LCFs

电子态密度（DOS）结果

【总结与展望】

该研究系统分析了Ti-Zr-Nb-Hf-Ta合金的塑性变形机理，重点研究了Ti₃₅Zr₃₅Nb₁₀Hf₁₀Ta₁₀合金在不同变形阶段的组织演变，系统地阐明了Hf和Ta在微观组织演化、强度-塑性协同作用、扭折带形成和位错相互作用中的作用，这一发现不仅推动了高熵合金的基础研究，也为航空航天、能源装备和生物医用金属的开发提供了新路径。