高熵合金（HEAs）兼具优异的机械性能、热机械性能和极端条件下的卓越耐腐蚀性能，是先进核结构材料的潜在候选材料。与传统合金不同，HEAs 由五种或更多接近等原子比例的主元素组成。研究发现，它们能形成简单的固溶结构，包括面心立方（FCC）和体心立方（BCC）结构，而不是脆性金属间化合物。HEA 令人惊讶的微观结构简单性和成分复杂性影响了散热、缺陷产生和缺陷迁移过程，这些过程通过所谓的自愈效应促进了缺陷重组和湮灭。在辐照 HEA 的过程中诱发的许多类型的原子缺陷表现出极高的形成能量，导致这些缺陷的湮灭具有很高的重组率。因此，可以认为 HEA 的特殊辐照耐受性是通过其缺陷动力学过程实现的。虽然，高熵合金（HEAs）在极端条件下具有令人印象深刻的机械性能，是先进核结构材料的潜在候选材料。然而，微裂纹是最常见的材料损伤，在材料合成和使用过程中都会出现。

来自澳大利亚科学院和德国达姆施塔特工业大学的学者通过分子动力学模拟对离子辐照下 FeCoCrNiAl_0.5 HEA 的裂纹愈合机制进行了原子研究。通过对重叠碰撞级联过程中点缺陷的产生和重组进行定量分析，评估了 HEA 的裂纹愈合机制。在第一次碰撞过程中，级联核心产生的间隙缺陷扩散到裂纹表面，导致后续再结晶过程中的裂纹愈合。此外，相应的空位积累并形成大尺寸的空位簇，从而产生堆叠断层和复杂的位错网络，分布在愈合裂纹的位置周围。随着重叠级联数量的增加，缺陷重组率也会增加，相稳定性也会进一步提高。离子辐照下 HEA 的裂纹愈合工程可为设计先进的核材料铺平道路。相关工作以题为“Crack-healing mechanisms in high-entropy alloys under ion irradiation”的研究性文章发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119488

本研究选择了FeCoCrNiAl_x 体系来研究预裂纹 HEA 的辐照行为。首先，分析了预裂纹 HEA 和无缺陷 HEA 中点缺陷的形成、演变和分布，并研究了辐照下裂纹对缺陷动力学的影响。然后，通过分析微结构演变和缺陷相互作用揭示了裂纹愈合的机理。最后，针对八个重叠级联进一步评估了愈合 HEA 的结构完整性，并研究了缺陷-位错相互作用。

图 1. 模拟时间为 (a) 0.0 ps、(b) 0.3 ps、(c) 0.5 ps、(d) 2 ps、(e) 6 ps 和(f) 20 ps 时，动能大于 0.4 eV 的击穿原子在第一次级联时裂纹 HEA 中的空间分布。

图 2. 无裂纹和有裂纹 HEA 中四个重叠碰撞级联的辐照过程中点缺陷的演变。红线突出显示了相应的热峰值。插图显示了有裂纹 HEA 和无裂纹 HEA 的八个重叠级联的缺陷重组率。

图 3. 第一次碰撞级联时，裂纹 HEA 中缺陷在 (a) 0.5 ps、(b) 1 ps、(c) 2 ps 和(d) 20 ps 处的空间分布。(e) 2 ps 和 (f) 20 ps 时裂纹周围的相应缺陷分布。间隙和空位分别用黄色和蓝色球体表示。红色矩形框突出显示了裂纹位置。

图 4. (a) 无裂纹 HEA 第一次级联的点缺陷空间分布与有裂纹 HEA (a) 第二次级联、(c) 第三次级联和 (d) 第四次级联的点缺陷空间分布对比。红色矩形框突出显示了裂纹位置。

图 5. 裂纹 HEA 在 (a) 0 ps、(b) 2 ps、(c) 20 ps 和 (d) 100 ps 时的微观结构构造。为直观显示辐照过程中的微观结构演变，仅显示了样品的一半。裂纹表面的原子用黄色标出，以区别于面板（a）中碰撞级联过程中的非晶相原子。(b1)和(d1)是(b)和(d)中相应虚线方框的放大图，其中删除了裂纹区域外具有 FCC 结构的原子，以突出显示进入裂纹区域的微观结构演变。为了直观显示裂纹位置的微观结构，(b1)和(d1)中只显示了从样品中心切下的 3 nm 板片。(e) 不同晶格结构的原子与裂纹区域（黄色矩形框标出）原子总数的比率与级联时间的函数关系。

图 6. (a) 无裂纹 HEA 第一次级联稳定阶段的微观结构与有裂纹 HEA (b)第二次、(c) 第三次和(d) 第四次级联裂纹阶段的微观结构对比。为直观显示辐照过程中的微观结构演变，仅显示了样品的一半。

图 7. (a) 无裂纹 HEA 在第一次级联时与有裂纹 HEA 在四次重叠级联时不同大小的簇数量对比。插入面板是相应虚线圆圈区域的放大图。(b)第 1 级联稳定阶段有裂纹 HEA 的微观结构。(b1)和(b2)显示了一个具有代表性的堆叠断层以及(a)中虚线方格放大区域的相应空位分布。

图 8. 上图：(a1) 无裂纹 HEA 稳定阶段的缺陷和位错分布快照，以及有裂纹 HEA 中 (b1) 第 1、(c1) 第 2、(d1) 第 3 和 (e1) 第 4 碰撞级联的缺陷和位错分布快照。下图：(a2) 无裂纹 HEA 稳定阶段的微观结构和位错分布快照，与有裂纹 HEA 在 (b2) 1,(c2)2,(d2)3,(e2)4 级碰撞级联处的对比。

总之，本研究通过 MD 模拟研究了离子辐照下的预裂纹 HEA。通过对重叠碰撞级联过程中 FPs 的生成和重组进行定量分析，获得了对 HEA 裂纹愈合机制的原子级理解。裂纹 HEA 在辐照下的自愈合能力与裂纹优先吸收间隙有关。裂纹的修复机制源于第一次级联后热峰值散热引起的高动能原子再结晶。间隙物扩散到裂纹区域，同时相应的空位积累并形成大尺寸空位簇，在愈合的裂纹周围产生堆叠断层和复杂的位错网络。位错网络的复杂性因后续级联中的空位吸收而增强。此外，这些位错抑制了点缺陷的扩散和重组，因此与无裂纹 HEA 相比，缺陷重组率更低，大尺寸空位簇的数量也更多。因此，离子辐照下 HEA 的裂纹愈合工程为设计先进的核材料提供了指导。