局部化学有序对体心立方多主元合金延展性的双重影响机制研究

本研究针对局部化学有序(LCO)对体心立方(BCC)多主元合金(MPEAs)延展性影响机制不清的科学问题，通过设计非等原子比Ti55V30Zr15合金体系，发现LCO的引入会降低均匀延伸率但提升断裂延伸率。研究揭示了这种双重效应源于位错滑移特性的改变，并通过HAADF-STEM等技术证实LCO通过促进位错离域化影响加工硬化能力，为BCC MPEAs性能调控提供了新思路。

　　

在材料科学领域，多主元合金(MPEAs)因其独特的成分设计和优异的力学性能成为研究热点。这类合金打破了传统合金的设计理念，通过多种主元元素的协同作用，展现出卓越的强度、韧性和抗辐照性能。然而，随着研究的深入，科学家们发现这些合金中普遍存在的局部化学有序(Local Chemical Order, LCO)现象对性能的影响机制仍不明确，特别是在体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)结构的MPEAs中，LCO如何影响延展性这一关键问题亟待解决。

传统观点认为，LCO主要通过阻碍位错运动来提高合金强度，但其对延展性的影响却存在争议。有些研究表明LCO能同时提高强度和延展性，而另一些研究则发现它会降低均匀延伸率。这种矛盾现象背后的机制尚不清楚，严重制约了高性能BCC MPEAs的设计开发。正是基于这一背景，北京理工大学的Qinghui Tang等研究人员在《Scripta Materialia》上发表了最新研究成果。

研究人员采用了多种先进表征技术开展研究。通过电弧熔炼制备了Ti₅₅V₃₀Zr₁₅和(Ti₅₅V₃₀Zr₁₅)₉₅Al₅两种合金，利用电子背散射衍射(EBSD)分析晶粒结构，采用高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)在原子尺度表征LCO特征，并通过原位拉伸测试结合位错结构演变分析揭示了变形机制。

起始微观结构表征

研究首先确认两种合金均为单一BCC结构，平均晶粒尺寸分别为65μm和75μm。HAADF-STEM分析发现，添加Al的合金中出现了尺寸小于2nm的LCO区域，表现为交替的明暗原子柱和超晶格衍射斑点，这为后续力学性能差异提供了结构基础。

力学性能表现

拉伸测试显示，引入LCO使屈服强度从855MPa提高到1009MPa，但均匀延伸率从12.3%降至4.4%。有趣的是，断裂延伸率却从24.2%增加至30.5%。这种看似矛盾的现象通过加工硬化率分析得到解释：LCO虽然降低了初始加工硬化能力，但通过促进变形离域化维持了较高的断裂延伸率。

变形机制解析

在TVZ合金中，位错通过频繁交滑移形成波状滑移模式，大量位错缠结维持了较高的加工硬化率。而在TVZA合金中，LCO诱导的滑移面软化效应使变形始终以平面滑移为主，位错被限制在多个滑移带内。但随着应变增加，新的滑移带被逐步激活，实现了塑性变形的离域化，避免了过早的断裂。

影响因素讨论

研究指出，LCO对均匀延伸率的影响取决于其促进位错离域化的能力，这受到两个关键因素调控：一是LCO阻碍位错的能力，这与原子壳层键合力变化相关；二是晶格畸变程度，研究发现LCO增加通常会降低晶格畸变，二者协同影响位错运动。

这项研究的重要意义在于首次系统揭示了LCO对BCC MPEAs延展性的双重影响机制，挑战了通过引入LCO同时提高强度和延展性的传统认知。研究提出的"位错离域化能力"概念为理解MPEAs的变形行为提供了新视角，建立的材料性能与微观结构关联为设计高性能BCC MPEAs提供了重要理论指导。特别是发现LCO特征与加工硬化行为的复杂关系，为后续通过精确调控LCO和晶格畸变来优化合金性能指明了方向。