综述：多尺度异质结构与晶粒旋转促进了多主元素合金的协同变形

《Journal of Materials Science & Technology》：Multiscale heterostructure and grain rotation promote the coordinated deformation of a multi-principal element alloy

多主元合金（MPEA）通过异步轧制与时效处理形成双模晶粒尺寸和纳米析出相异构结构，拉伸测试显示其屈服强度达1290 MPa，抗拉强度1560 MPa，延伸率21%，晶界旋转（7.3°）有效缓解应力集中并提升加工硬化能力。

　　这项研究聚焦于多主元合金（MPEA）的结构设计与力学性能优化，旨在探索如何通过异步变形机制实现高强度与良好延展性的协同提升。多主元合金因其独特的成分组合和复杂的微观结构，近年来在材料科学领域引起了广泛关注。这类合金通常包含多种主要元素，能够形成非平衡的固溶体和第二相析出物，从而在微观尺度上产生异质性。这种异质性不仅有助于提升材料的强度，还可能改善其塑性表现。然而，由于异质结构中的变形机制复杂多变，如何理解其协同作用仍是当前研究中的一个难点。

为了克服这一挑战，研究团队设计了一种新型的MPEA，通过异步轧制、退火和随后的时效处理，实现了多尺度异质结构的构建。该结构不仅包含了双模态晶粒尺寸，还具有双模态析出物尺寸，使得材料在力学性能上表现出色。在拉伸测试中，该合金展现出了高达1290 ± 10 MPa的屈服强度和1560 ± 15 MPa的抗拉强度，同时保持了21% ± 1%的延展性。这一性能组合在多主元合金中具有显著优势，表明通过异质结构设计可以有效提升材料的综合性能。

在拉伸变形过程中，异质界面处的晶粒旋转角度达到了7.3°，从初始的19.4°向[111]方向偏移至26.7°。这一现象表明，在变形过程中晶粒发生了旋转，从而有效缓解了应力集中，降低了裂纹扩展的可能性，并增强了材料的加工硬化能力。晶粒旋转作为一种关键的应变协调机制，能够调节局部应变分布，减少因不同区域变形能力差异而引起的机械不相容性。这一机制在多主元合金中尤为关键，因为其复杂的成分结构可能导致各区域的变形行为差异较大。

研究团队采用原位电子背散射衍射（EBSD）技术对材料的变形过程进行了实时跟踪和分析，揭示了多种变形机制的协同作用。在拉伸过程中，观察到大量的堆垛层错（SF）、洛默-科特雷尔（L-C）锁和变形孪晶的激活。这些变形机制的协同作用不仅提高了材料的强度，还改善了其塑性表现。其中，堆垛层错的高密度有助于增强材料的强度，而L-C锁则通过阻碍位错运动来提高材料的硬度。同时，变形孪晶的形成能够进一步促进位错的滑移，从而提升材料的延展性。

此外，研究还发现，异质界面处的晶粒旋转有助于协调不同区域的变形行为，减少局部应力集中。这种协调变形机制对于提升材料的整体性能至关重要。在传统均质材料中，变形主要依赖于单一的滑移系统，而多主元合金由于其复杂的成分和结构，能够激活多个独立的滑移系统，从而实现更高效的应变分布。这一特性使得多主元合金在力学性能上具有显著优势，尤其是在强度与延展性的协同提升方面。

通过异步轧制和时效处理，研究团队成功构建了具有双模态晶粒尺寸和析出物尺寸的多尺度异质结构。异步轧制过程中，上辊和下辊的不一致速度引入了剪切变形，这不仅有助于细化晶粒，还促进了位错的堆积和纠缠，为后续的再结晶提供了驱动力。退火处理进一步优化了材料的微观结构，使得析出物能够均匀分布于晶粒内部。时效处理则通过促进析出物的形成和长大，增强了材料的强度。这种多步骤的处理方法使得材料能够同时实现高强度和良好延展性的目标。

研究还强调了异质结构在材料设计中的重要性。传统的均质材料往往难以在强度和延展性之间取得平衡，而异质结构则通过引入不同机械性能的区域，实现了更复杂的变形行为。例如，在高温度超塑性变形过程中，晶粒旋转被证明是协调不同晶粒变形的重要机制。这一机制不仅能够促进位错的滑移，还能够有效分散局部应力，提高材料的塑性表现。因此，异质结构的引入为材料设计提供了新的思路和策略。

通过这一研究，团队为设计新型多主元合金提供了一个全新的视角。他们不仅验证了异质结构在提升材料性能方面的潜力，还揭示了多种变形机制在材料变形过程中的协同作用。这些发现对于理解多主元合金的协调变形机制具有重要意义，也为未来材料设计提供了理论支持和实验依据。研究团队相信，这种异质结构设计策略将在航空航天、能源等关键领域中发挥重要作用，推动高性能材料的发展。

此外，研究还指出，异质结构材料的稳定性是其性能提升的关键因素之一。异质界面处的应力集中可能导致材料在变形过程中出现裂纹，从而影响其整体性能。因此，如何通过材料设计和加工工艺来减少应力集中，提高材料的稳定性，是当前研究的重要方向。晶粒旋转作为一种有效的应力调节机制，能够在一定程度上缓解异质界面处的应力集中，从而提高材料的塑性表现。

综上所述，这项研究通过异步轧制和时效处理，成功构建了一种具有多尺度异质结构的多主元合金。该合金在拉伸测试中表现出优异的力学性能，包括高屈服强度、高抗拉强度和良好的延展性。这些性能的提升主要归功于多种变形机制的协同作用以及异质界面处的晶粒旋转。研究结果不仅为新型合金的设计提供了新的思路，还加深了对异质结构材料协调变形机制的理解。未来，随着材料科学的不断发展，异质结构设计有望成为提升材料性能的重要策略，推动高性能材料在更多领域的应用。