原子尺度研究团队《Acta Materialia》：

发现高熵合金在低温变形过程中的动态可逆剪切转变

近日，我院原子尺度研究团队及其合作者在金属材料领域顶级期刊Acta Materialia上发表了题为“Dynamically reversible shear transformations in a CrMnFeCoNi high-entropy alloy at cryogenic temperature”的研究论文，揭示了高熵合金在低温下的动态可逆剪切转变行为，设计了纳米片层状双相结构高熵合金，实现了材料强度和延展性的同时提升。论文的第一作者为我院明开胜副教授，通讯作者为我院郑士建教授和内布拉斯加大学林肯分校王健教授, 合作者为中科院力学所武晓雷研究员团队。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422003184

在单调的热或载荷作用下，孪生和马氏体相变等剪切转变通常是不可逆的。作者发现CrMnFeCoNi高熵合金（HEA）在极低温度（4.2 K）下单轴拉伸过程中发生了动态可逆剪切转变。由于单相fcc结构的CrMnFeCoNi HEA的层错能较低，且随温度降低而降低，其塑性变形机制包括位错滑移和剪切转变，如{111}层错、{111}纳米孪生和fcc → hcp剪切转变。当在4.2 K下变形时，较低的层错能促进fcc → hcp剪切转变，形成hcp晶粒。在hcp晶粒中，除了基面和非基面位错滑移，高密度的{0001}层错和{101}纳米孪晶被激活以协调塑性变形。更有趣的是，变形导致的局部热诱导了hcp → fcc逆剪切转变。如图1所示，{101}纳米孪晶内部发生了hcp → fcc逆剪切转变，从而在孪晶内部形成了fcc相。Fcc ↔ hcp可逆剪切转变以及{101}和{111}纳米孪生在HEA中形成了动态纳米片层状双相（NL-DP）结构，如图2所示。这种NL-DP结构通过动态调整剪切转变条带的类型和宽度，引入“动态霍尔-佩奇”效应，使强度、应变硬化能力和延展性得到了显著提高（图2）。该工作通过激活可逆剪切变来动态引入NL-DP结构，实现了强度和延展性的同时提升，为克服材料强度


和塑性的固有矛盾提供了一种有效的策略。

图1 {101}纳米孪晶内部发生hcp → fcc逆剪切转变。

图2 Fcc ↔ hcp可逆剪切转变、{101}和{111}纳米孪生产生的纳米片层状双相结构，及其对应的拉伸力学性能。

作者简介：

郑士建，教授，博士生导师，2014年入选中科院“百人计划”，2016年入选国家“海外高层次人才引进计划”青年项目。长期致力于金属结构材料与能源材料的原子尺度研究，研究成果揭示了高温、高应力、强辐照等极端使役环境下原子尺度界面结构对高温合金、钛合金、层状金属材料力学性能、抗核辐照损伤性能的影响规律，以及能源电池材料服役过程中原子尺度衰变机制。在Nature Communications、Advanced Materials、Acta Materialia、Scripta Materialia等高水平期刊发表SCI论文130余篇，引用近5000次，并受邀在（国际塑性、损伤与断裂会议等）高水平国际会议上做邀请报告，主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目11项。获河北省政府特殊津贴（2019）、天津市创新类领军人才（2019）等荣誉，并任中国电子显微镜学会（2016-至今）等学会理事。

明开胜，副教授，博士生导师，“元光学者”启航A岗，于2020年1月毕业于北京航空航天大学，并于同年4月加入。于2017.09-2019.09在美国内布拉斯加大学林肯分校公派留学。于2021年任《Coatings》期刊客座编辑。研究方向为新型高强韧金属材料（包括高熵合金、晶体-非晶纳米复合材料）设计、强韧化机理以及多尺度形变机制。先后主持国家自然科学基金青年项目、河北省高层次留学人才回国资助项目、河北省自然科学基金青年项目等；以第一作者或者通讯作者在Science Advances、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Scripta Materialia等高水平期刊发表论文15篇，其中2篇入选ESI高被引论文。获得荣誉包括北京航空航天大学优秀毕业生、北京航空航天大学优秀博士论文、博士研究生国家奖学金、宝钢优秀学生奖、材料科学与工程学院“突出贡献奖”等。