中熵合金中的位错-孪晶相互作用

      位错-孪晶相互作用在调节材料塑性变形中起着重要作用，如提高材料的加工硬化速率。但孪晶界对位错运动的阻碍作用相对较弱，只有当孪晶界密度极高时，才会产生明显的孪晶诱导强化效应。然而，孪晶数量通常存在饱和值，在大块金属材料中难以引入高密度的纳米孪晶。

      研究人员试图将合金原子放置在孪晶界上以获得更好的强化效果，但又受限于取代元素的原子尺寸与晶格参数的匹配性。与取代原子相比，间隙原子可以产生更大的晶格畸变和更有效的强化效应。然而随着间隙原子浓度的增加，会形成脆性陶瓷相，因此传统合金中间隙原子的浓度通常很有限。最近有人提出，多主元素合金(MPEAs)中固有的严重晶格畸变可能为间隙原子提供了更好的容纳位点。同时，由于原子尺寸的差异，晶格中间隙位的不对称性降低了形成有序陶瓷相的可能性。

     针对此浙江大学电镜中心余倩教授等人利用原位单倾拉伸样品杆结合iDPC-STEM成像和EDS表征对含有6 at% (原子百分比)氧原子的NiCoCrO中熵合金(MEA)进行了位错-孪晶界相互作用的影响研究。中熵合金中晶格畸变的扩散使其具有较大的氧间隙固溶度。氧原子占据了四面体和八面体的间隙位，并倾向于在孪晶界和层错等缺陷处富集。在塑性变形过程中，孪晶界附近的富氧区阻碍了位错直接传递或交叉滑移到另一个孪晶面，造成了明显的位错纠缠、位错部分解离和滑移方向的偏离。该研究成果揭示了与孪晶界和间隙原子协同效应相关的强化机制。

1：结构表征：

                                                                         图1：NiCoCrO合金中孪晶表征

2：原位应变实验：

图2：NiCoCrO合金与TWIP HEA的原位TEM拉伸实验1

       为了揭示氧间隙对孪晶界强化的影响，我们进行了原位TEM拉伸应变实验，并比较了富氧NiCoCrO合金和没有大量间隙氧原子的孪生诱导塑性（TWIP）高熵合金（HEAs）的动态位错-孪晶界相互作用，包括完全位错和部分位错。拉伸应变下，图2a所示，在TWIP HEA中进出位错滑移轨迹在孪晶界上呈镜像对称；图2b所示，在NiCoCrO合金中，当位错遇到孪晶界时，其运动受到强烈阻碍，沿孪晶界出现了位错运动的钉扎点和严重的位错缠结，并且在间隙原子的作用下位错的运动会受到更严重的钉扎效应。

图3：NiCoCrO合金与TWIP HEA的原位TEM拉伸实验2

拉伸应变下，如图3a所示，NiCoCrO合金中沿孪晶边界的某些位置也固定了部分位错的运动，影响了层错的形貌变化。如图3b所示，当扩展位错的尾部被固定在孪晶界处时，也可能发生d3 +d4→d5 +d6的位错反应。相比之下，TWIP HEA的部分位错活动在遇到孪晶界时更为规则，两侧部分位错的滑移轨迹在孪晶边界周围是对称的。

3：机理分析：

图4：NiCoCrO合金位错-孪晶界相互作用的内在机制

       NiCoCrO合金中的位错-孪晶相互作用与没有大量间隙原子的TWIP和NiCoCr HEAs中的相互作用不同。NiCoCrO合金中孪晶界对位错运动的钉扎作用更为显著，且孪晶界处的位错反应更为复杂。推测孪晶界上有更多的原子尺度的位错运动障碍可能与加入氧间隙有关。图4a-d证实了氧间隙富集于孪晶界和层错等缺陷处。

图4e揭示了NiCoCrO合金塑性变形过程中位错-孪晶相互作用的机理。在NiCoCrO合金中，氧间隙原子的不均匀分布阻碍了位错的运动，增加了孪晶界位错反应的能垒。在初级塑性变形阶段，位错主要固定在孪晶边界附近的某些点上；随着外加应变的增大，发生了严重的位错堆积、位错缠结和局部解离，导致位错滑移方向的偏离和滑移体系的改变。

综上所述，在含有高浓度氧间隙的多主元素合金中，由于氧原子的不均匀分布改变了孪晶界结构，调整了位错运动的能垒，位错-孪晶界产生不同的相互作用。通过原位TEM应变测试、原子分辨率EDS成像和先进的iDPC-STEM表征发现，NiCoCrO合金的氧原子同时占据了八面体和四面体的间隙位，并特别倾向于在孪晶和层错等缺陷处富集。因此，可能会发生更强的位错相互作用和复杂的位错反应，从而导致更显著的孪晶界强化效应。