随着对中、高熵合金研究的开展，它们的优异力学性能在逐步被揭示，与之相关的材料局部原子化学环境和复杂的化学涨落所起作用也受到越来越多的关注。尽管已有充分的实验研究和模拟计算结果表明晶格畸变（lattice distortion）和化学短程有序（chemical short-range order）确实存在于中、高熵合金当中且对材料性能有重要影响，两者在材料变形的不同阶段各自产生的作用仍缺乏系统的研究和解释。

近日，美国加州大学圣芭芭拉分校Irene J. Beyerlein教授课题组与华南理工大学姚小虎教授课题组开展合作，使用大规模分子动力学（MD）、动态蒙特卡罗（MC）和晶体结构缺陷分析方法，对中熵合金CoCrNi中晶格畸变（LD）和化学短程有序（CSRO）在位错成核与扩展以及变形孪晶演化过程所产生的作用进行研究。通过对比相同加载条件下，CoCrNi合金与假想的平均原子（Average-atom）模型在变形响应上的差异，从原子尺度揭示了晶格畸变和化学短程序对单晶和多晶FCC中熵合金屈服强度与位错形核倾向的影响，系统阐述了孪晶形成和湮灭机理，讨论并总结了引入层错和孪晶对材料塑性变形机制产生的作用。相关研究成果以“E?ects of lattice distortion and chemical short-range order on the mechanisms of deformation in medium entropy alloy CoCrNi”为题发表在金属材料领域顶刊《Acta Materialia》。加州大学圣芭芭拉分校博士生简武荣和华南理工大学博士生谢卓成为共同第一作者，合作作者还包括加州大学圣芭芭拉分校的Shuozhi Xu博士以及Yanqing Su博士。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.08.044

为了将晶格畸变和化学短程序的影响区分讨论，研究者在构建具有不同化学短程有序度的CoCrNi中熵合金（MEA）以外，还获得了总体材料性能等效于随机CoCrNi合金的平均原子模型。由于该模型由一种代表了Co、Cr、Ni三种原子平均属性的假想原子构成，因此不存在本征的晶格畸变和化学短程序，可作为CoCrNi合金的对照材料，有利于分别揭示晶格畸变和化学短程序的影响。低温和常温下的拉伸模拟结果表明，晶格畸变可以降低材料的弹性模量以及肖克雷不全位错（Shockley partial）成核的临界应变（图1）。在所有含化学短程序的单晶CoCrNi中，不全位错倾向于在CoCr团簇内成核（图2）。与随机分布的CoCrNi和Ni区域相比，CoCr团簇具有最高的剪切应变和最低的不稳定层错能（图3）。同时，由于较严重的晶格畸变促进位错成核，而晶格畸变和化学短程序都增加了位错移动的阻力，低温下纳米孪晶在MEA中比在平均原子模型中更普遍（图1（e）-（h））。

图1.（a）-（d）单晶随机CoCrNi合金和平均原子模型在1K下的拉伸应力-应变曲线；（e）-（h）对应的孪晶界密度和层错密度；（i）-（l）对应的各类位错密度；（m）-（p）应力-应变曲线在B,D,F,H时刻对应的原子构型。

图2.（a）-（c）分别经过350K、950K退火处理的CoCrNi合金和原子随机分布的CoCrNi合金在1K加载下的原子构型（紫色原子为CoCr团簇显著聚集区域，红色原子为HCP原子）。

图3. （a）拉伸过程中CoCr团簇的分布；（b）剪应变场分布；（c）单晶Ni，CoCr和随机CoCrNi的层错能曲线。

与单晶中熵合金不同，多晶中熵合金在晶界作为有效位错成核源的基础上，通过晶格畸变和化学短程序对位错移动的阻力，可获得更高的拉伸强度（图4）。除此以外，引入孪晶既可以为位错提供成核及滑移面，又能成为位错滑移的有效障碍，使得材料内部形成高密度的位错塞积（图5），进一步提升材料的强度。

图4.多晶CoCrNi合金和平均原子模型（a）1K下和（b）300K下的拉伸应力-应变曲线；（c）材料的极限拉伸强度。

图5.经350K退火处理的（a）多晶、（b）引入层错和（c）引入孪晶的CoCrNi合金在加载过程中位错和孪晶的分布情况。

上述发现系统阐明了晶格畸变和化学短程有序在FCC中熵合金变形中的重要作用，讨论了这两种因素对于位错以及孪晶演变过程的影响，对理解合金中复杂化学环境对材料性能的影响以及设计新型优异多主元合金具有重要价值和意义。