三维EBSD与原子模拟联用揭示Cantor高熵合金纳米力学行为及位错机制的多尺度研究

本研究通过三维电子背散射衍射(3D EBSD)和分子动力学(MD)模拟，揭示了Cantor CrMnFeCoNi高熵合金(HEA)在纳米压痕过程中的位错演化机制。研究人员发现几何必需位错(GND)密度与滑移迹线高度相关，并通过GROD分析证实了晶格旋转的复杂模式。该工作为理解HEAs在极端环境下的塑性变形机制提供了多尺度研究范式。

　　

高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)作为新兴材料体系，因其独特的"四大核心效应"——高熵稳定固溶体、缓慢扩散、鸡尾酒效应和晶格畸变，在航空航天、核能等领域展现出巨大应用潜力。然而，这类多主元合金的复杂化学成分导致其位错运动机制与传统合金存在显著差异，特别是CrMnFeCoNi等典型Cantor合金的纳米尺度塑性行为尚不明确。传统透射电镜(TEM)的二维观测局限与原子模拟的尺度限制，使得全面理解HEAs变形机制面临重大挑战。

为此，研究人员在《Ultramicroscopy》发表的工作创新性地将三维电子背散射衍射(3D EBSD)与分子动力学(MD)模拟相结合，对单晶Cantor CrMnFeCoNi HEA的纳米力学响应展开多尺度研究。通过自主熔炼制备近等原子比合金样品，采用10 mN载荷的Berkovich压头进行纳米压痕实验。利用串行切片技术获取11×11×11 μm³
变形体积的3D EBSD数据，通过Hough变换重构取向信息，计算几何必需位错(GND)密度和晶粒参考取向偏差(GROD)角。同步采用LAMMPS软件进行MD模拟，使用2NN-MEAM势函数模拟[001]取向样品的压痕过程，通过位错提取算法(DXA)分析位错类型。

3.1 GND密度分析
3D重建显示GND分布呈Berkovich压头特征形态，最高密度(>10¹⁵
m^-2
)集中于压痕邻近区域。滑移迹线与{110}面GND富集区高度吻合，证实FCC晶体典型的{111}<110>滑移系激活。MD模拟观察到1/2?110?全位错分解为1/6?112?Shockley不全位错，形成棱柱位错环和堆垛层错，与实验观测的平面状GND特征一致。

3.2 GROD角度分布
发现六组旋转符号相反的晶格畸变区，最大偏转角达20°。45°视角重建显示旋转反转特征，与MD模拟的原子应变张量分解结果相符。这种复杂旋转模式源于{111}面位错运动受阻和化学复杂性导致的晶格畸变，通过KAM参考点选择策略有效降低了切片错位引入的误差。

4. 结论与意义
该研究建立了HEAs纳米压痕变形的多尺度关联机制：实验证实GND沿八个等效滑移系( Schmid因子0.38-0.43)不均匀分布，MD模拟则从原子尺度揭示了位错形核-扩展-交互的全过程。创新性发现包括：(1)化学复杂性导致位错运动受阻，形成局部高GND密度区；(2)GROD分析首次在HEAs中观测到六重旋转对称的塑性区；(3)验证了2NN-MEAM势函数对多主元合金压痕模拟的适用性。

这项工作的重要意义在于：开发了3D EBSD与MD联用的方法学框架，克服了传统TEM的二维局限；为HEAs的力学性能预测提供了关键参数；建立的跨尺度验证策略可推广至其他复杂合金体系研究。未来通过引入高角分辨率EBSD(HR-EBSD)和全局优化算法，有望进一步提升GND定量精度，推动高性能HEAs的理性设计。