Al0.33CrFeNi中熵合金的微观结构演变与多尺度变形机制研究

研究人员针对中高熵合金(MEAs/HEAs)动态变形机制原子尺度观测的技术瓶颈，通过实验与分子动力学(MD)模拟相结合，系统研究了Al0.33CrFeNi MEAs的枝晶结构演化规律。发现该合金在室温下兼具193.4 GPa模量和51%塑性，高温(800°C)仍保持263 MPa屈服强度，揭示了从位错滑移→动态再结晶→形变孪生的主导机制转变，为设计强韧化MEAs提供理论依据。

　　

在材料科学领域，中高熵合金打破了传统合金以单一主元为基础的设计范式，其中AlCrFeNi系合金因其独特的双相(FCC+BCC/B2)结构和可调性能备受关注。然而，现有研究面临两大挑战：一是缺乏对动态变形过程中原子尺度微观结构演化的实时观测手段；二是Al元素含量对相组成与力学性能的影响机制尚未明晰。这严重制约了该类合金在极端环境下的工程应用。

针对这些关键问题，国内某研究机构的研究人员选择具有最佳强塑性匹配的Al_0.33CrFeNi中熵合金为研究对象，通过多尺度表征与模拟相结合的策略，系统揭示了其从室温到800°C的变形机制演变规律。相关成果发表在材料领域权威期刊《Journal of Materials Research and Technology》上。

研究团队采用电弧熔炼制备合金，结合X射线衍射(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)分析相组成；通过纳米压痕和压缩试验测试力学性能；利用分子动力学(MD)模拟揭示原子尺度变形机制。特别采用连续刚度测量(CSM)模式获取硬度-深度曲线，并通过位错提取算法(DXA)定量分析位错密度演化。

【3.1 相结构与初始微观结构】

XRD证实合金由FCC+BCC/B2双相组成，升温至800°C仍保持稳定。EBSD显示典型的枝晶结构，初始织构强度仅5.96，枝干与晶粒间存在显著取向差。

【3.2 室温力学性能】

纳米压痕测得平均模量193.4 GPa，硬度6.02 GPa。压缩试验显示优异塑性(51%)和1982 MPa断裂强度，应变硬化率曲线呈现典型三阶段特征。变形后枝干呈现{001}择优取向，而晶粒内部取向随机，位错墙的形成是主要硬化机制。

【3.3 高温力学性能】

200-600°C仍保持1086.9-1609.0 MPa强度，800°C时动态再结晶完成，形成{101}强织构(强度15.9)。EBSD证实200°C时枝干呈{111}取向，400°C开始动态再结晶，600°C时再结晶晶粒与变形晶粒共存。

【3.4 MD模拟变形行为】

原子应变分析显示应变集中于晶界(GBs)和位错塞积区。室温下Shockley不全位错(1/6<112>)主导变形，高温时出现1/3<100>(Hirth)位错。800°C时位错攀移和重组导致显著动态回复，应变速率增加50倍可使流变应力提高2.3倍。

该研究首次阐明了Al_0.33CrFeNi MEAs跨温域变形的微观机制演化图谱：室温下位错滑移和孪生主导；200-600°C发生动态回复与再结晶；800°C完成完全再结晶。其中Al元素通过稳定B2有序相提升强度，而Cr元素增强晶界扩散促进高温塑性。研究不仅为多组元合金设计提供理论指导，其建立的实验-模拟协同研究方法对复杂合金体系的机理研究具有范式意义。分子动力学模拟虽然受限于时空尺度，但通过精准捕捉位错反应(如公式1所示的Shockley位错分解)和相变过程，为理解宏观性能提供了原子尺度视角。未来工作可进一步研究BCC/B2相界面对变形机制的调控作用。