香港城市大学的王循理教授、北京科技大学、日本原子力研究开发机构J-PARC中心的Stefanus Harjo研究主任和川崎卓郎研究副主任、南京理工大学及哈尔滨工程大学组成的研究团队，利用J-PARC的中子发现，“高熵合金”的延展性在极低温度下增强的特性是由晶体缺陷等多种因素共同形成的。
普通金属材料的强度会随着温度降低而升高，但延展性下降。而高熵合金在低温状态下不仅强度升高，延展性也增强，显示出比室温更高的延展性。其他金属材料也有在低温下显示出延展性的，其原因都在于晶体结构的变化。不过，此前一直不清楚高熵合金的延展性增强的原因。
此次研究针对正在极低温度下变形的高熵合金实施了“原位中子衍射实验”，从原子水平上观察发生的现象。
观察发现，高熵合金的晶体结构没有发生变化，这种独特的变形是在多种变形机制的共同作用下实现的，包括位错和堆垛层错等晶体缺陷的发生、增加、移动及局部变形等。
在纯金属中，一种原子有序地三维排列形成晶体。而在高熵合金中，5种以上的金属原子以相同比例混合，每种原子在晶体中以什么顺序排列是随机的。
这些信息可用于太空开发、线性马达和核聚变超导线圈的结构部件等要求的、在低温环境下发挥高力学特性的新结构材料的设计。
【研究背景】
通常，随着温度降低，构成金属的原子会变得难以移动，因此强度升高，能承受更大的力。但另一方面，延展性会下降，发生很小的变形就会断裂。高熵合金不同于普通金属，会表现出特殊现象，在低温下强度大幅升高，同时延展性也增强，因此作为低温环境下的新结构材料受到关注。不过，此前一直不清楚高熵合金在低温环境、尤其是液氮温度以下的变形机制。
已知的金属材料变形机制包括：晶体中的原子排列无序、即晶体缺陷引起的变形；晶体取向变化引起的变形；部分不锈钢合金出现的晶体结构变化引起的变形；在接近液氦温度（-269℃）的极低温度下发生的局部变形。这些变形机制各有不同的特性，所以人们一直期待查清高熵合金在低温下发生的特殊变形是由什么机制引起的。
【研究过程】
调查材料变形机制的有效方法是评估材料的实际变形状态的原位测量。不过，电子显微镜观察等通常用来评估金属微细结构信息的方法不适合对正在极低温度下变形的金属进行原位测量，而且电子显微镜的视场非常狭窄，因此有时观察到的微观结构信息可能无法与宏观力学性能保持一致。
中子衍射是评估整个毫米级力学试样的平均结构信息和随着变形而发生的微细组织变化的极其有效的手段。研究团队利用了高强度质子加速器设施“J-PARC”的物质生命科学实验设施（以下简称“MLF”）中设置的工程材料衍射装置“匠”（图1）。“匠”是全球领先的装置之一，可与多种测试设备配合使用，在-260℃~1000℃的大温度范围内边改变材料的形状，边高精度评估晶体结构和微细组织的变化。此次研究利用“匠”安装的低温拉伸测试仪，测量了成分为CrMnFeCoNi（铬、锰、铁、钴、镍）的高熵合金变形过程中的中子衍射强度（图2）。在此次研究中，北京科技大学的团队制作了试样，香港城市大学和日本原子能研究开发机构J-PARC中心的团队实施了中子衍射实验。
图1：工程材料衍射装置“匠”安装的极低温度拉伸测试仪
【研究成果】
研究团队首先利用装置拉伸试样，调查了施加给试样的应力与试样的延展率（应变）之间的关系（图2）。
①温度越低，试样能承受的应力越大，同时延展性也提高。在15K（-258℃）的低温下，可承受约2500MPa的应力，此时试样的延展率为62％。再进一步拉伸后，试样断裂。
②在-258℃下，延展率超过20％后，应力呈尖峰状下降，这是因为，随着试样中非常有限的一部分快速延展（局部变形），应力一下子得到了释放。
图2：高熵合金在295K、140K和15K下的应力-应变曲线。应力骤降为0表示试样断裂，说明可以延展至该应变值。另外，断裂之前的应力是在该温度下材料能承受的最大应力。温度越低，最大应力和最大应变越大，由此可见，强度和延展性均得到提高。在15K下应变超过20％时出现的应力尖峰状下降表示发生局部变形，同时还出现了因应力突然得到释放而引起的温度上升。
接下来，为调查在低温下实现高强度和高延展性的原因，研究团队边利用“匠”拉伸试样边实施了原位中子衍射实验。图3是得到的衍射图案。
①图3是在室温和15K温度下分别施加0MPa、740MPa和2460MPa应力时的中子衍射图案。衍射图案中出现的峰值因晶体结构而异，但所有图案几乎都在同一位置出现峰值，由此可见试样的晶体结构没有发生变化。
②另一方面，在15K下施加2460MPa应力时的衍射图案（绿色）中，各峰值的宽度扩大。这表明，试样内部的晶体缺陷增多。
图3：利用“匠”获得的CrMnFeCoNi高熵合金在低温拉伸试验中的中子衍射图案
此外，详细调查图3的中子衍射图案中出现的所有峰值的位置、宽度和大小，可获得图4的结果。
①下图的纵轴表示111衍射峰（最右侧的峰值）的大小，值越大，表示试样内部的（111）晶面朝向拉伸方向的晶粒比例越高。改变晶粒方向需要位错移动，因此可以说，111衍射峰的大小增加的比例越大，位错移动越活跃。
②上图的纵轴表示试样内部存在堆垛层错的概率，值越大，表示堆垛层错越多。
图4：高熵合金变形引起的（111）面衍射峰的积分强度（下图）和堆垛层错存在概率的变化（上图）。在下图中，积分强度随应力增加而增加的比例（倾斜）越高，表示位错的发生和移动越活跃，在上图中，值越大表示堆垛层错越多。
结合上下图来看，根据施加给试样的应力，可以将-258℃下的变形过程分为4个阶段。结合图2，可将各个阶段的主要变形机制整理如下。
①从718MPa（图5Ⓐ）开始发生位错和移动（活动），并越来越活跃。
②从1075MPa（图5Ⓑ）左右开始，除位错活动外，还开始出现堆垛层错。
③在图2中可以看出来，从1270MPa（图5Ⓒ）左右开始发生局部变形，同时堆垛层错快速增加。
④最终，达到2000MPa（图4Ⓓ）以上后，应力呈尖峰状下降的宽度增大，局部变形变得明显，但在这个阶段，位错活动已经减弱。
此次研究发现，多种不同的原子级变形机制通过分阶段发挥作用，使高熵合金在极低温度状态下实现了非常大的强度和延展性。
【未来展望】
此次研究通过中子衍射确认，成分为CrMnFeCoNi的高熵合金在极低温度下显示出极高的强度和延展性，是因为多种晶体缺陷的出现、增加、移动及其相互作用是分阶段发生的。像本次研究采用的合金这样，同时拥有复杂的化学成分和简单的晶体结构可能是在低温环境下实现优异的力学特性的关键。今后，通过利用此次的研究成果进行材料设计，有望开发出强度和延展性更高的优异低温材料。
论文信息
题目：Cooperative deformation in high-entropy alloys at ultralow temperatures
期刊：《Science Advances》
DOI：10.1126/sciadv.aax4002
文：JST客观日本编辑部
