重磅《Science》：新发现！扭结带提高中熵合金的断裂性能！

   单相体心立方（bcc）难熔中熵或高熵合金可在高温下保持抗压强度，但拉伸延展性和断裂韧性极低。本文研究了一种 bcc 难熔合金 NbTaTiHf 在 77 至 1473 K温度下的强度和断裂韧性。这种合金的行为不同于同类系统，其断裂韧性超过 253 兆帕-m1/2，我们将其归因于螺线位错和边缘位错在控制裂纹尖端塑性方面的动态竞争。螺位错和混合位错的滑行和交叉促进了控制均匀变形的应变硬化，而<111>边缘位错与{110}和{112}滑行面的协调滑行则通过形成扭结带延长了非均匀应变。这些扭结带通过沿解析剪应力较高的方向调整晶体微尺度带的方向来抑制应变硬化，并不断成核以适应局部应变，并将损伤分散到远离裂纹尖端的地方。

  金属结构材料往往需要在强度和韧性之间做出权衡。这一问题在用于极端环境，尤其是高温环境的材料中最为明显。在过去的半个世纪里，通过提高燃料效率来减少碳排放的迫切需求促使人们开发了一些材料，旨在超越超合金的高温性能，如含硅耐火材料和钛铝。这些材料被设计为在高温下具有高强度；然而，要使它们同时具有损伤耐受性，特别是在低温下，其中许多材料都低于其韧性到脆性的转变温度，这是很困难的，而且几乎所有这些材料都不符合安全关键型应用的要求。

  由高浓度第四、第五和第六族元素组成的单相 bcc 难熔高熵或中熵合金（RHEAs 或 RMEAs）已被确定为高温材料的一个极具吸引力的设计空间 。遗憾的是，RHEAs 在强度和韧性之间存在较大的折衷。虽然其中一些合金，特别是第五和第六族混合物，如 NbMoTaW 及其衍生物，在高达 1900 K 的温度下具有令人印象深刻的抗压强度，但它们在所有温度下的断裂韧性和拉伸延展性都极低。与此相反，第 IV 组和第 V 组混合物，尤其是 HfNbTaTiZr 合金模型，可以表现出很强的拉伸塑性，甚至在较高环境温度下具有断裂韧性。然而，这些体系不具备足够的热力学相稳定性，这对其高温机械性能不利。

   具体来说，我们通过进行单轴拉伸试验和基于 J 积分的非线性弹性断裂韧性试验，研究了从 77 到 1473 K 的非碳原子 Nb45Ta25Ti15Hf15 RMEA 的机械性能。这种材料是通过将第 IV 组元素（Ti 和 Hf）与第 V 组元素（Nb 和 Ta）合金化而设计的，目的是：(i) 使材料具有延展性；(ii) 产生晶格畸变以保持高温强度；最值得注意的是：(iii) 优先考虑含有 Zr 和第 IV 组元素浓度较高的 RHEA 所缺乏的高温 bcc 热力学稳定性 (28，29)。有关合金设计细节的更多信息，请参见（30）。为了使材料在化学和微观结构上均质，我们对高纯度元素铸锭进行了多次电弧熔炼，并在室温下进行轧制，使厚度减少约 33%，然后在 1373 K 下热处理一小时并进行水淬。这一过程产生了近乎完全再结晶的单相微观结构，其中有平均尺寸为 270 μm 的等轴晶粒和一些较小的直径为 ~20 μm 的部分再结晶晶粒（图 1B 和图 S1）。X 射线衍射（XRD）（图 1C）证实，该材料形成了单一的 bcc 相，通过电感耦合等离子体原子发射光谱法测得的确切成分为 43.98 原子%（%）Nb、24.21 原子% Ta、14.77 原子% Ti 和 14.75 原子% Hf。

  顶级材料力学团队加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授课题组发现一种NbTaTiHf难熔合金。由于扭结带晶体旋转适应应变，大大提高材料断裂韧性。高断裂韧性从低温条件延伸到非常高的温度，使得该合金在宽温度范围内的应用中具有吸引力。

图 1. Nb45Ta25Ti15Hf15 的初始微观结构。

为了生产这种合金，对高纯度元素进行电弧熔化、锻造和冷轧，厚度减少约 33%，在 1373 K 下退火一小时，然后进行水淬。这一过程产生了 (B) 中的微观结构，即平均直径为 270 μm 的接近完全再结晶的晶粒。(C) XRD 证实了单 bcc 相结构。材料的间隙总含量约为 0.25% C、N 和 O。A.U.，任意单位。

图 2. Nb45Ta25Ti15Hf15 的机械特性。

(A)开氏 77 度、298 度、1073 度、1223 度和 1473 度时作为裂纹扩展函数的 J 积分 R 曲线；(B) 在极端温度下测量的 R 曲线近景。(298 K 时的动态应变老化与 Lüders 带的形成相对应，而 77 K 时的应力下降则与孪生相对应，孪生伴随着声发射。(D) 根据 R 曲线得到的 JIc 值计算出的断裂韧性 (KJIc) 和 (E) 屈服强度 (σy)与温度的函数关系。误差条代表屈服强度的标准偏差；但有些误差条比数据符号小，因此不可见。请注意，在（D）中，Nb45Ta25Ti15Hf15 合金不仅在高温下保持强度，而且在所有温度下都表现出非凡的断裂韧性：在 77 至 1473 K 的五个温度范围内，断裂韧性分别为 86 MPa-m1/2、253 至 323 MPa-m1/2、67 MPa-m1/2、52 MPa-m1/2 和 68 至 88 MPa-m1/2。室温断裂韧性是已知单相 bcc 材料中最高的，甚至高于 fcc CrCoNi 基 HEA（19）。(A)、(B)和(D)中的开圆圈表示严格意义上无效的数值；为了清晰直观，(B)中排除了第二次液氮测试。

图 3. 从 77 到 1473 K Nb45Ta25Ti15Hf15 的形变机制和断口形态。

(A 至 E) 断裂路径的 EBSD BC 和 IPF 图（从左到右）。在 C(T) 样品的中厚度处取样，以研究最高应力三轴性区域的机制。(G) 298 K 时裂纹正前方塑性区的扭结带以及相关的晶粒内错向轴分析表明，该扭结带从扭结{112}族中的一个平面内部扭曲到扭结{110}族中的一个平面。(F）在超高温（1473 K）下，这些机制被（H）和（I）所示的动态再结晶所取代，动态再结晶破坏了原始晶界，抑制了促进晶间断裂的机制。(J至M）断裂表面显示了开氏77度（J）时的劈裂和韧性微泡凝聚的混合物，开氏298度（K）时的微泡凝聚，以及开氏1073度和1223度时的晶间断裂和微泡凝聚的混合物[（L）和（M）]。在 1473 K（N）时，断裂面被氧化破坏。

图 4. 扭结带和晶格位错。

用 TEM 对在 298 K 下测试的 C(T) 样品的两个区域进行了研究：区域 I 与 (A) 和 (B) 相对应，来自靠近裂纹尖端的扭结带边界，那里的塑性应变较高；区域 II 与插图 (C 至 H) 相对应，显示了裂纹后基体中存在的位错，那里的塑性应变较低。(A) 聚焦离子束抬出样品的高角度环形暗场（HAADF）概览图像。(B) 4D-STEM 数据集的旋转图。(插图）显示晶格旋转的所有像素的总衍射图样。(C)和(F)] HAADF 对螺钉位错、边缘位错和混合位错的概述。(D)和(G)] 位错示意图，按各自的布尔格斯矢量着色：红线、 蓝线、 图中注释了布尔格斯矢量方向。[(E)和(H)] 相同位错的示意图，按其特性着色。

图 5. Nb45Ta25Ti15Hf15 RHEA 与其他结构材料的对比。

(A)Nb45Ta25Ti15Hf15 以及其他高熵合金和商用材料（4、9、10、34、48、57-59）的室温断裂韧性与屈服强度的 "香蕉图"。这种 RHEA 在很宽的温度范围内（60-63），强度和韧性都非常平衡。(B)屈服强度与温度关系图显示，Nb45Ta25Ti15Hf15 在中温以上的性能优于大多数商业级高温材料；(C)显示，尽管其室温拉伸屈服强度相对较低，但在 1473 K 时仍能保持优异的拉伸强度，甚至超过了 1400 K 以上的镍基超合金 CMSX-4。

我们的研究表明，与传统认识相反，复杂成分耐热合金在极端温度范围内，甚至在低温条件下，都能具有优异的断裂韧性。虽然还需要进一步开发以提高铌钽钛铪合金的强度和晶界内聚力，但其优异的损伤耐受性为这些耐火合金在安全关键型应用中的应用打开了一扇大门。为了将我们的研究结果与实际情况相结合，我们将其断裂韧性和强度与当前的商用合金进行了比较（图 5），从而突出了 Nb45Ta25Ti15Hf15 所表现出的高温强度和极高韧性的优异组合。从第一原理上理解扭结带的形成对于发现具有更高的高温强度、更耐损伤的 RHEAs 至关重要。我们提出的分析是一个起点，具有与位错移动性、多重滑移系统的激活和扭结带的形成有关的一般准则。