Al0.3CoCrFeNi高熵合金纳米压痕行为的实验与晶体塑性有限元模拟：加载速率与晶粒取向的耦合机制

为解决高熵合金(HEA)微观变形机制不明确的问题，研究人员通过实验与晶体塑性有限元模拟(CPFEM)相结合，系统研究了Al0.3CoCrFeNi HEA的纳米压痕行为。发现加载速率显著影响蠕变位移，晶粒取向通过调控剪切应变空间分布决定堆积形态，为揭示HEA本征塑性机制和跨尺度强化设计提供理论基础。

　　

高熵合金(HEA)作为多主元合金的新星，凭借其卓越的力学性能和抗腐蚀特性，在航空航天等领域展现出巨大潜力。然而，传统研究多聚焦于宏观力学行为，对微观尺度下单个晶粒的变形机制仍缺乏系统认知。特别是纳米压痕过程中，材料表现出的加载速率敏感性和晶粒取向依赖性，其内在物理机制尚未阐明。这种认知空白严重制约了HEA在微纳器件中的应用。

针对这一挑战，国内研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表重要成果，通过创新性地结合实验与晶体塑性有限元模拟(CPFEM)，首次揭示了Al_0.3CoCrFeNi高熵合金纳米压痕行为的微观机制。研究团队采用真空电弧熔炼制备FCC结构的Al_0.3CoCrFeNi HEA，通过XRD和EBSD表征其单相粗晶特征，并利用配备Berkovich压头的纳米压痕仪开展多速率实验。基于晶体塑性理论构建的本构模型，采用代表性体积单元(RVE)有限元方法验证参数准确性，最终建立单晶纳米压痕CPFEM模型，系统解析8种典型晶粒取向的变形特征。

关键技术方法包括：1)通过铜模吸铸法制备直径3mm的合金圆柱；2)采用0.001s^-1应变率的单轴拉伸模拟验证CPFEM参数；3)在ABAQUS中建立5.12×5.12×2.56μm³的单晶模型，模拟5000μN载荷下的纳米压痕过程；4)基于Schmid定律和Peirce-Asaro硬化模型量化12个{111}?110?滑移系的激活特性。

实验结果与讨论
2.2 Results
实验发现加载速率从100μN/s增至2500μN/s时，保持阶段蠕变位移增加47%，证实HEA在室温纳米压痕中仍表现显著蠕变行为。通过对比五种加载速率下的位移-载荷曲线，揭示较低速率下蠕变在加载阶段即开始发展的特性。

3.3 Model validation and tensile simulation
基于EBSD数据重建的准三维模型显示，当拉伸应变达10%时，多晶HEA出现明显的应力异质性，最大Mises应力差达180MPa，为后续晶粒取向选择提供依据。通过拟合实验数据确定临界分切应力τ₀=85MPa等关键参数，模拟与实验的应力-应变曲线相关系数达0.95。

4.2 Results and discussion
CPFEM模拟首次揭示：晶粒④在单轴拉伸中呈现应力集中区域，其纳米压痕堆积高度达32nm，是晶粒⑤的2.1倍。通过路径AA'的位移曲线分析，发现累积剪切应变Γ与堆积高度的相关系数高达0.93，证实剪切应变场是堆积形成的控制因素。值得注意的是，晶粒⑧虽在拉伸中处于低应力区，却表现出第三高的堆积量，暗示FCC-HEA的塑性各向异性比传统金属更复杂。

结论与展望
该研究建立了HEA纳米压痕行为的跨尺度研究范式，首次通过CPFEM量化了晶粒取向对堆积形态的调控规律。发现软取向晶粒更易在压痕边缘形成剪切应变集中，导致显著堆积，这一规律与单轴拉伸的应力分布呈现强关联性。研究不仅为HEA的微观力学表征提供新方法，其建立的τ₀=85MPa等关键参数更为后续多尺度模拟奠定基础。未来工作可进一步耦合应变梯度塑性理论，以更精确预测纳米压痕中的几何必需位错效应。

这项由国内团队完成的研究，通过精妙的实验设计与先进的模拟方法，填补了HEA微观塑性机制认知的空白，为开发新一代高性能HEA提供了理论基石。特别是提出的"晶粒取向-剪切应变-堆积形态"关联模型，对理解多晶材料的各向异性变形具有普适意义。