北京理工大学材料学院程兴旺教授、李泽洲教授团队在抗冲击面心立方高熵合金的动态相变行为研究领域取得重要进展，相关研究成果以“Dynamic polymorphization of the impact-resistant fcc high-entropy alloy”为题在材料领域顶级期刊《Materials Today》上发表。北京理工大学为第一完成单位，第一作者为北京理工大学材料学院张琳冰博士与北京航空航天大学王涵祺博士。
CrCoNi基高熵合金展现出优异的抗冲击性能，这源于其多样化的能量耗散途径，但其内在机制尚未被充分揭示。本研究系统揭示了CrMnFeCoNi高熵合金在动态剪切实验中所呈现的丰富多形性相转变行为，包括纳米级hcp相、9R相的形成，以及在极端条件下发生的非晶化相转变。分子动力学模拟结果揭示了相形成机理，并阐明不全位错的萌生和滑移在相变过程中发挥着核心调控作用。这些渐进式相变不仅显著提升了合金的强度，还通过不全位错的持续滑移保持了其塑性变形能力。高位错密度为相形核提供了必要的能量驱动，使合金能够吸收大量应变能并产生相变。
图1 CrMnFeCoNi高熵合金的微观组织和力学性能
图2 CrMnFeCoNi高熵合金在冲击变形过程中发生的相变
在动态载荷作用下，CrMnFeCoNi高熵合金内部全位错与不全位错被激活并不断累积，形成由基体、孪晶、hcp相或9R相构成的独特“三明治”结构，且在相界面处产生显著应变梯度。应变梯度诱发的背应力可在极短时间内大幅提升合金流变应力，使CrMnFeCoNi高熵合金同时具备极强的加工硬化能力与显著的应变率硬化效应。
图3 4D-STEM表征由基体、孪晶、hcp相与9R组成的“三明治”结构
图4 “三明治”结构的应变分配情况
结合分子动力学模拟计算，进一步揭示了CrMnFeCoNi高熵合金在动态冲击载荷下原子尺度的结构演化规律与相变路径。fcc基体向hcp相的相变源于肖克利不全位错在交替密排面上的持续滑移，通过层错不断累积实现原子堆垛序列的转变；fcc基体向9R相的相变则由肖克利不全位错的协同形核与扩展诱发，表现为特征性的三层周期性堆垛重构。随着应变增加，大量肖克利不全位错在{111}晶面持续滑移会诱导层错、孪晶及hcp相等多种片层组织生成，并在局部大量聚集、相互交叉，严重破坏原子的周期性有序排布，最终导致晶格无序化形成非晶相。
图5 分子动力学模拟方法揭示冲击加载下相形成机理
图6 fcc相到9R相、hcp相以及非晶相的形成机理图
图7 CrMnFeCoNi高熵合金动态多形性相变路径示意图
多形性相变赋予CrMnFeCoNi高熵合金强应变硬化能力和高剪切应变失效，有效实现强度与塑性的同步提升。多样的变形行为不仅为应变适配、能量耗散开辟了多元路径，还能有效抑制剪切局域化现象，延缓合金失效，大幅提升材料抗损伤能力，使低层错能面心立方高熵合金在抗冲击工程应用领域展现出广阔的前景。
北京航空航天大学赵士腾教授和加州大学圣地亚哥分校Marc A. Meyers教授为本文共同通讯作者。该研究工作在北京理工大学潘士伟助理教授、钱锋副教授、张帆教授、王琳副教授以及马德里理工大学Carlos J. Ruestes研究员的指导下完成。
