铬元素增强3d过渡金属高熵合金力学性能的作用机制与性能优化研究

本文通过纳米压痕（nanoindentation）、蠕变（creep）及应力松弛（stress relaxation）实验，结合密度泛函理论（DFT）计算与透射电镜（TEM）微观表征，系统研究了Cr元素对高熵合金（HEAs）力学性能与变形机制的调控作用。研究发现NiCoCr合金具有最高位错成核剪切应力（13 GPa）和硬度（3.8 GPa），最低应力敏感性（0.02）和激活体积（3-4b3），其优越性能源于Cr引起的晶格畸变、不均匀电荷分布及高密度堆垛层错与孪晶。本研究强调了元素选择（尤其是Cr）对HEAs性能的主导作用，超越组态熵效应，为高性能结构材料设计提供了重要理论依据。

　　

Highlight

本研究通过纳米压痕蠕变与应力松弛实验，结合透射电镜（TEM）表征与密度泛函理论（DFT）计算，揭示了Cr元素在高熵合金（HEAs）变形机制中的关键作用。NiCoCr合金表现出最高的位错成核剪切应力（13 GPa）和纳米压痕硬度（3.8 GPa），以及最低的应力敏感性（0.02）和激活体积（3-4b³），表明其具有优异的塑性流动特性。DFT计算显示Cr引入的不均匀电荷分布与键长变异加剧了晶格畸变，从而阻碍位错运动。TEM观察进一步发现高密度堆垛层错和孪晶结构显著增强了蠕变强度。这些发现突显了特定元素（尤其是Cr）对HEAs微观结构与力学性能的调控作用远胜于组态熵效应。

Material

本研究选用的材料体系包括NiCoFe、NiCoCr、NiCoCrFe和NiCoCrFeMn。所有合金原料纯度均高于99.9%，并采用相同尺寸的铜模（直径10 mm）浇铸成型。各样品成分如表1所示。这些体系被用于研究组态复杂性（以主元数量为特征）及元素类型（如Cr）对浓缩固溶体合金（CSAs）力学行为的影响。

Nanoindentation pop-in stress and hardness

纳米压痕实验获得的力学数据总结如表2所示，包括位错成核最大剪切应力（τ_max）、压痕硬度、应力敏感性和激活体积。图3(a)展示了蠕变测试中的载荷-位移曲线及应力-深度曲线。塑性起始以“pop-in”事件为标志，其平均值为各合金性能比较提供了依据。

Discussion

纳米压痕结果表明，HEAs的化学成分对其力学性能的增强作用远大于元素数量（即组态复杂性）的影响。例如，较高Cr含量的添加比增加元素数量更能显著提升力学性能。NiCoCr合金在塑性起始阶段表现出最高的pop-in应力和硬度，以及在蠕变和应力松弛过程中最低的应力敏感性和激活体积，表明其具有更优的塑性流动特性。

Conclusions

本研究通过纳米压痕蠕变与应力松弛测试、透射电镜（TEM）表征和计算建模，系统探究了3d过渡金属（如Cr、Fe、Co、Ni、Mn）组成的浓缩固溶体合金（CSAs）中成分变化对变形机制的影响。我们量化了合金化对塑性起始pop-in应力、硬度和弹性模量的影响，并揭示了Cr通过调控晶格畸变、电荷分布和缺陷结构主导性能优化的机制。