在分层结构的CoCrNi中熵合金中，纳米孪晶网络与化学短程有序结构共同作用实现了强度的提升

《Journal of Materials Science & Technology》：Synergistic strengthening from nanotwin network and chemical short-range order in hierarchically structured CoCrNi medium-entropy alloy

本研究通过优化高温溶液处理与低温时效结合，调控CoCrNi高熵合金中短程有序（SRO）结构，并进一步结合多方向冷锻（MDCF）与低温时效，构建了同时包含SRO和纳米孪晶的多尺度微观结构，显著提升了强度-延展性协同效应。分子动力学模拟与多尺度表征技术揭示了SRO、孪晶界与位错的协同强化机制，证实SRO通过增加位错形核能垒和阻碍滑移增强强度，而孪晶界有效阻碍位错运动并提升临界应力。实验表明，与传统随机固溶体相比，该多尺度结构使峰值应力和流变应力分别提高53.7%和47.2%，为新一代结构合金设计提供了新思路。

　　本研究围绕高熵合金（HEAs）中的CoCrNi合金展开，重点探讨了如何通过优化的高温固溶处理与低温时效相结合，调控其短程有序（SRO）结构，从而提升材料的力学性能。在此基础上，进一步引入多向冷锻（MDCF）与低温时效，成功构建了包含SRO和纳米孪晶的多尺度微观结构，显著改善了强度与延展性的协同效应。研究还结合分子动力学（MD）模拟和多尺度表征技术，验证了SRO区域、孪晶界（TBs）与位错之间的三重相互作用，揭示了SRO-纳米孪晶框架下的协同强化机制。研究结果表明，当位错接近与孪晶界非平行时，孪晶界能够有效阻碍位错运动并提升临界应力。同时，SRO结构通过双重机制增强材料强度：一方面增加位错成核的能量障碍，另一方面提高位错滑移的阻力。这两种互补机制的协同作用，使得CoCrNi合金展现出优异的力学性能。值得注意的是，具有这种分层结构的样品在与随机固溶（RSS）结构的纳米晶样品对比时，其峰值应力和流动应力分别提升了53.7%和47.2%。这项研究建立了一种基于多尺度特征调控的微观结构设计框架，为下一代结构材料的开发提供了基础理论支持。所展示的策略为通过原子尺度有序调控与纳米尺度孪晶工程优化力学性能开辟了新的路径。

近年来，高熵合金（HEAs）和中熵合金（MEAs）作为一类基于熵调控原理设计的先进材料，因其在极端环境下的应用潜力而受到广泛关注。这些合金通常由三种或更多主元素组成，其原子组成比例接近或处于等摩尔状态，这使得它们在传统强度与延展性之间的权衡问题上展现出独特优势。其中，CoCrNi作为一种典型的三元中熵合金，因其在高温下的稳定性、良好的抗腐蚀性能以及在低温下的卓越机械性能（尤其是强度和断裂韧性）而成为低温应用的有力候选材料。然而，与传统的面心立方（FCC）合金类似，单相的CoCrNi合金在铸造和热机械处理后表现出相对较低的屈服强度，这一局限性严重制约了其在非塑性载荷条件下的应用前景。因此，如何在不改变其化学成分的前提下，通过优化其微观结构来提升整体性能，尤其是在更极端条件下，成为当前研究的重要挑战。

提升CoCrNi合金性能的关键在于对其微观结构的精准调控。局部化学有序（LCO）被认为是高熵合金中常见的内在特征，它对位错行为产生重要影响，包括位错的成核、运动和相互作用。其中，短程有序（SRO）作为LCO的一种典型形式，引起了广泛关注。研究人员通过先进的表征技术，如透射电子显微镜（TEM）和机器学习增强的原子探针断层扫描（ML-APT），已经确认了某些高/中熵合金中SRO的存在。因此，通过调控局部化学有序实现SRO的形成，被认为是增强固溶强化和影响位错相互作用的一种有前景的方法，进一步促进材料整体力学性能的提升。然而，SRO结构在CoCrNi合金中的强化效果仍存在争议：计算模拟确认了SRO对机械性能的显著影响，而现有的实验研究却未发现SRO调控对宏观机械性能的实质性提升。因此，进一步优化SRO调控方案，以充分发挥其对材料性能的强化作用，成为亟需解决的问题。

另一种提升CoCrNi合金性能的策略是引入纳米孪晶结构。纳米孪晶作为一种特殊的低能协调界面，不仅能够有效阻碍位错运动，还能作为位错滑移的滑移面，从而保持良好的强度与延展性协同效应。在面心立方金属中，大量研究表明，孪晶可以显著提升强度，同时不牺牲材料的断裂韧性。通过调控孪晶层的间距和取向，可以进一步优化其力学性能。已有报道表明，纳米孪晶结构可以通过电沉积、溅射或剧烈塑性变形（SPD）等方法制造。

然而，任何单一微观结构特征的强化效果都有其固有的局限性。高熵合金的化学复杂性为其设计多尺度结构提供了独特的机会。值得注意的是，LCO和孪晶界都对位错的传播和迁移产生阻碍作用，但它们之间的协同效应尚未被充分研究。这促使我们探索一种多尺度强化策略：同时引入SRO和纳米孪晶结构。因此，通过定制的加工路线，实现对局部化学有序的调控以及高密度纳米孪晶结构的构建，成为进一步提升CoCrNi中熵合金性能的一种可行方法。一个相关挑战是，如何在不引入不利残余应力的前提下，开发一种通用方法来制造纳米孪晶结构。值得注意的是，多向冷锻（MDCF）作为一种体纳米结构化技术，已被用于成功制造钛和高熵合金中的多尺度分层孪晶结构，显著提升了其低温拉伸性能。该多尺度结构化的过程始于MDCF加工，以形成高密度的纳米孪晶结构，随后通过优化的低温退火（例如923 K，1小时）实现双重功能机制：精确调控局部化学有序以促进SRO形成，同时有效缓解机械加工产生的残余应力，所有操作均在保持纳米孪晶结构的机械完整性和稳定性的同时进行。

在本研究中，我们创新性地通过MDCF技术与优化的低温退火相结合，实现了CoCrNi中熵合金中SRO-纳米孪晶多尺度微观结构的协同构建。这种独特的微观结构显著提升了屈服强度，同时保持了良好的延展性，从而实现了优异的强度-延展性协同效应。通过多尺度表征技术和分子动力学（MD）模拟，我们深入研究了SRO和纳米孪晶对变形行为的影响，并揭示了与微观结构和位错相关的协同强化机制。我们探讨了多尺度微观结构调控策略，为合金设计提供了新的思路。

在材料和表征方法部分，CoCrNi中熵合金是通过高纯度元素（>99.9%）在高纯度氩气氛围下进行电弧熔炼制备的，随后经过至少五次重熔以确保化学均匀性。熔炼后的锭材在真空条件下进行1373 K、24小时的均匀化处理。为了研究SRO对CoCrNi合金力学性能的影响，我们选择了经过不同热处理的冷轧样品进行对比分析。这些锭材被冷轧成具有80%冷加工率的薄板。随后，通过不同的热处理工艺（如高温固溶处理和低温时效处理）对样品进行调控，以观察其微观结构的变化及其对材料性能的影响。在实验过程中，我们利用高分辨率高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）对合金的微观结构进行了表征，特别是在[112]晶带轴方向下获取了代表性图像，以进一步研究SRO和纳米孪晶对材料性能的具体作用。

在SRO和纳米孪晶对材料性能的作用部分，我们首先选择了冷轧后的CoCrNi样品，分别在固溶处理状态（CoCrNi-SS）和时效处理状态（CoCrNi-AT）下进行对比分析。两种处理后的合金均表现出再结晶的、化学均匀的FCC基体，其晶粒尺寸相近（如图1(a, d)所示）。通过高分辨率HAADF-STEM图像的分析，我们能够观察到SRO区域的分布情况，以及其与纳米孪晶结构之间的相互作用。这些图像不仅提供了微观结构的直观信息，还为研究SRO和纳米孪晶对材料变形行为的影响奠定了基础。

在纳米孪晶的强化机制部分，我们通过MD模拟和实验结果揭示了孪晶界与位错之间的相互作用，从而强调了纳米孪晶在CoCrNi中熵合金中的强化作用。纳米孪晶结构能够有效阻碍位错的运动，使得材料在承受载荷时表现出更高的强度。同时，纳米孪晶界还能够作为位错滑移的滑移面，为材料提供额外的塑性变形通道，从而在提升强度的同时保持良好的延展性。通过调控纳米孪晶的形成条件和分布特征，可以进一步优化材料的力学性能。已有研究表明，纳米孪晶结构可以通过多种方法制造，包括电沉积、溅射和剧烈塑性变形（SPD）。然而，这些方法在实际应用中仍存在一定的局限性，特别是在制造大块样品时，如何避免引入不利的残余应力成为一大挑战。多向冷锻（MDCF）作为一种有效的体纳米结构化技术，已被成功应用于钛和高熵合金的纳米孪晶结构制造，显著提升了其低温拉伸性能。在本研究中，我们通过MDCF加工，实现了高密度纳米孪晶结构的构建，随后通过优化的低温退火工艺，不仅促进了SRO的形成，还有效缓解了机械加工过程中产生的残余应力，所有操作均在保持纳米孪晶结构的机械完整性和稳定性的同时进行。

在结论部分，本研究结合实验与大规模分子动力学模拟，系统探讨了FCC结构的CoCrNi中熵合金在引入纳米孪晶、短程有序及其耦合结构后的拉伸响应。研究目标在于从原子层面揭示不同微观结构对材料性能、缺陷演化和强化机制的具体影响。通过深入分析，我们发现SRO和纳米孪晶的协同作用能够显著提升材料的强度，同时保持良好的延展性。此外，SRO和纳米孪晶的相互作用不仅能够增强位错运动的阻力，还能通过多种机制提升材料的综合性能。这种协同效应在极端载荷条件下尤为明显，为CoCrNi中熵合金的进一步应用提供了理论支持。通过本研究，我们不仅验证了多尺度结构调控的有效性，还为下一代结构材料的设计提供了新的思路和方法。