扩展缺陷，包括位错、堆积断层（SF）和晶界（GB），对工程合金的性能起着重要作用。在实践中，这些缺陷容易造成元素偏析，即局部成分浓度增加，这可能会从根本上改变材料的机械性能。对于由高浓度多种主要元素组成的高熵合金 (HEA)，研究表明，扩展缺陷周围的化学偏析比传统合金更为明显，会严重影响其机械性能，如脱粘和断裂。在由多主元素组成的高熵合金（HEAs）中，围绕扩展缺陷的元素偏析很常见，这会严重影响其机械性能。在高熵合金中，偏析的驱动力通常与化学短程有序（CSRO）的形成相竞争，这使得阐明偏析机制具有挑战性。

来自香港城市大学的学者利用蒙特卡罗和分子动力学（MC/MD）混合模拟和理论分析，系统研究了 CoNiCrFe HEA 中位错、堆叠断层和晶界（GBs）等扩展缺陷周围的化学成分变化，以探索化学-结构-力学关系。我们发现在这项研究中考虑的所有缺陷周围都存在明显的铬富集和 Co/Ni/Fe贫化现象。在扩展缺陷附近，本研究发现了结构无序程度与化学偏析/贫化现象之间的相关性。结果表明，由于 HEA 的化学性质极其复杂，CSRO 不可避免地会导致元素重排并影响偏析。因此，HEA 中的偏析行为主要由不同原子对之间的相互作用控制，偏析熵也起着主导作用。通过将元素偏析和 CSRO 的强化贡献解耦，本研究证明并强调了元素偏析可以调节 HEA 的强化。通过对添加了不同铁元素的 CoNiCrFe 进行实验比较，证明了元素偏析对界面性能的积极影响--提高了极限拉伸强度和伸长率。这项工作阐明了元素偏析和 CSRO 共存的 HEA 中异质元素分布的机理，为通过调节成分变化来操纵其机械性能铺平了道路。相关工作以题为“Mechanism of elemental segregation around extended defects in high-entropy alloys and its effect on mechanical properties”的研究性文章发表在 。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119537

本研究关注了不同铁含量的CoNiCrFe HEA 中扩展缺陷周围的元素偏析机制，以揭示偏析倾向与 CSRO 之间的相互作用。典型的扩展缺陷包括线缺陷（即肖克利部分位错，SPDs）、平面缺陷（堆叠断层，SFs）和 GBs（即对称倾斜 GBs 和具有不同错向角的非对称倾斜 GBs）。众所周知，在 CoNiCrFe 中，铬倾向于在 GB 周围偏析。通过调整铁的成分，可以有效地改变偏析程度和 CSRO，这要归功于铁-铬对显著的正混合焓（根据 THEMOCALC TCFE9 数据库，为 2.7 kJ/mol）。然后，系统分析了在不同温度和不同铁浓度条件下化学偏析与结构紊乱之间的关系。本研究发现并强调了与 HEA 中不同扩展缺陷周围元素分布相关的结构紊乱的重要性。本研究进一步阐明了 CSRO和偏析对机械强度的贡献，根据强化理论将这两个因素解耦。这些结果揭示了 HEA 中偏析和 CSRO 之间错综复杂的相互作用。

图 1. (a)随机完美系统、(b)肖克利部分位错（SPD）和(c)堆叠断层（SF）模型的无松弛原子构型示意图；(d)-(f) 分别为 ATGBs-GB1 （非对称倾斜晶界，ATGB，Σ13<320>）、STGB-GB2 （对称倾斜晶界，STGB，Σ11<332>）和 ATGBs-GB3 （ATGB，Σ13<100>）。(b) 中的圆圈代表 SPD 线。(d-f)中的矩形表示 GB 区域的放大图像。

图 2. 在 1000 K 下通过 MC/MD 模拟获得的 25Fe 中不同缺陷模型的典型原子构型及相应的原子分数、CSP 和结构紊乱参数 (η^Dis)剖面，分别为 (a) SPD、(b) SF、(c) GB1、(d) GB2 和 (e) GB3。原子构型通过原子类型、应力、CSP 和结构类型的四个或三个彩色编码面板进行说明。原子构型视图后显示了随位置变化的相应偏析相关属性，包括成分、CSP 和无序。

图 3. 25Fe 和 10Fe 合金中 GB 周围的元素分布。(a) 25Fe 和 (b) 10Fe HEA 中 GB 的高角度环形暗场 (HAADF) 图像，以及 (b,e) 相应的 EDS 图谱。(c,f) GBs 上相应的元素分布图。

图 4. 不同温度下 (a) SPD 模型、(b) SF 模型和 (c) 所有 GB模型（包括 GB1、GB2 和 GB3）的铬元素过量化学吸收（Γ_Cr）与过量结构紊乱（Γ^tot _Dis）的对比。尽管数据点有限且分散，但结果表明元素的异质分布与缺陷结构的无序性之间可能存在直接联系。对于 SPD 和 SF 模型，在低铁浓度模型中获得的数据标记为蓝色区域；在高铁添加模型中获得的其他数据标记为红色区域。详细的相关分析见补充材料 A.2.3 节。GBs 模型中较分散的数据点与不同类型的晶界有关，这些晶界源于三种不同类型的晶界：ATGB-GB1、STGB-GB2 和ATGB-GB3。

图 5. (a) SF 和 (b) GB2 模型中的界面内聚能。Ran 模型是随机系统。Seg 模型是在800 K 和 1000 K 下经过 MC/MD 处理的系统。

图 6. CSRO 和 Seg-GB 中的隔离产生的强化效果。

图 7. 三种合金在 (a) 充氢和 (b) 不充氢状态下的工程应力-应变曲线。(c) 充氢前后的应力应变曲线对比。(d) 充氢前后极限抗拉强度（τ_UTS）和（e）伸长率（δ）随铁浓度的变化。(f) 加氢后不同合金的伸长率损失率和极限拉伸强度降低率。

图 8. 0 K 时 25Fe 中四种不同元素的偏析能曲线：(a) GB1、(b) GB2 和(c) GB3。点线和虚线分别是利用 MS（ΔG^seg_md）和经典偏析理论（ΔG^seg _th）测得的偏析能。GB 核心用黑色箭头标出。

图 9. n/Co（n=Ni、Cr、Fe）、n/Ni（n=Co、Cr、Fe）、n/Cr（n=Ni、Co、Fe）和 n/Fe（n=Co、Ni、Cr）的置换能，以及它们在 25Fe (a) 块体和 (b) GB2 位点中沿 y 方向的平均值。物种 m 的平均置换能是 m 被 n 替代时的平均能量变化（n≠m）。例如，Co 表示 Ni/Co、Cr/Co、Fe/Co 的平均能量。(c) 25Fe 中 GB 与主体（GB-Bulk）平均取代能之间的取代能差。

本研究系统地分析了扩展缺陷周围的偏析现象：在 300 ∼ 1300 K 的温度范围内，研究了不同铁浓度的 CoNiCrFe HEA 中的 SPD、SF 和 GB：

(1)在 CoNiCrFe HEAs 的扩展缺陷周围存在强烈的元素偏析。一般会出现明显的铬富集和 Co/Ni/Fe 贫化。由于这种偏析，不同元素之间的成键偏好导致铬和 Co/Ni/Fe之间形成了明显的浓度差距。

(2)通过分析 CSRO 和偏析的强化效应，本研究发现偏析是调节 HEA 机械强度的有效参数。位错强化效应和界面抗脆性受偏析和 CSRO 的影响。

(3)通过比较三种不同合金成分的极限拉伸强度和伸长率，可以证明元素偏析改善了所研究的HEA 的界面强度和延展性。这些发现凸显了元素偏析对界面性能的积极影响，从而改善了机械性能，这与模拟结果一致。

(4)基于对不同方法获得的偏析能的比较和分析，我们发现偏析熵在 HEA 的偏析中起着不可忽视的关键作用。仅靠焓项无法完全解释偏析趋势。

(5)偏析强化可通过块体和 GB 位点对强度的相对贡献来解释。在这项工作中，GB 中的铬偏析与块体中的钴和镍富集的耦合强化效应导致了偏析强化。