摘要：在材料科学领域，极端工况（如高温、高应变率、强冲击）对结构材料的性能提出了极高要求，开发兼具高强度、高韧性且能在极端条件下保持稳定性能的材料是重要技术挑战。多主元合金（包括高熵合金 HEA 与中熵合金 MEA）因独特的成分设计和优异的力学性能成为研究热点，其中

一、研究背景及意义

在材料科学领域，极端工况（如高温、高应变率、强冲击）对结构材料的性能提出了极高要求，开发兼具高强度、高韧性且能在极端条件下保持稳定性能的材料是重要技术挑战。多主元合金（包括高熵合金 HEA 与中熵合金 MEA）因独特的成分设计和优异的力学性能成为研究热点，其中 CrCoNi 基中熵合金 / 高熵合金在常温和低温下展现出出色的断裂韧性与损伤容限，这源于其由孪生诱发塑性（TWIP）、相变诱发塑性（TRIP）等机制带来的持续应变硬化能力。不过，此前针对该类合金在超过(10^6/s)高应变率（会产生强冲击波）下的变形与失效行为研究较少，且 ductile 金属在极端拉伸载荷下的空化不稳定性（涉及空穴形核、生长与聚合）受应变率硬化、绝热加热等多因素耦合影响，微观结构与动态行为间的关联机制尚不明确。本研究的意义在于，通过激光驱动冲击实验与分子动力学（MD）模拟，揭示了 CrCoNi 中熵合金在(10^7/s)级高应变率下的变形与失效机制，明确了冲击压缩阶段形成的缺陷网络对拉伸阶段空穴行为的调控作用，证实了该合金优异的抗冲击性与损伤容限，为极端工况下结构材料（如航空航天、抗冲击防护领域材料）的设计与应用提供了关键理论依据和实验支撑。

二、成果速览

本研究以等原子比 CrCoNi 中熵合金（MEA）为研究材料，其制备工艺为：先经 80% 厚度冷轧，再在 1000°C 下退火 48 小时以消除变形诱导缺陷并再结晶，最终获得等轴晶粒尺寸约 100μm 的单相合金；通过激光驱动冲击实验（利用 352nm 波长激光，能量 100-450J， ablation 压力 100-130GPa）对合金进行极端冲击加载，结合多尺度表征与 MD 模拟分析其性能。该合金在约(10^7/s)应变率下的层裂强度达 9.8GPa，接近同类冲击条件下重金属的层裂强度，且冲击后仍保持良好的损伤容限；其优越性能源于：冲击压缩阶段，因合金超低堆垛层错能（约 20mJ/mm²），产生大量堆垛层错、纳米孪晶、六方纳米片层等平面缺陷，形成三维缺陷网络，阻碍位错运动并提升加工硬化率；冲击释放（拉伸）阶段，前期形成的缺陷网络限制空穴生长方向（使空穴呈 penny 形）、延迟空穴聚合，同时局部高缺陷密度引发的纳米再结晶与非晶化进一步调控失效过程，共同赋予合金优异的抗冲击与抗损伤性能。

三、主要图表介绍

图 1：激光冲击实验示意图与靶材自由表面速度曲线该图包含三部分内容：（A）为实验装置与速度曲线，以聚苯乙烯薄膜为烧蚀层将激光能量转化为等离子体动能，产生冲击波传入样品，通过两个 VISAR 通道测量自由表面速度曲线，曲线上 “回拉” 信号标记空穴表面的波反射，可通过简化声学方法计算层裂强度；（B）（C）分别为激光冲击回收靶材的前表面与后表面光学显微图，前表面因冲击压缩形成凹坑，后表面因拉伸作用出现 “空穴气泡”，直观展示了冲击加载下样品不同表面的宏观变形特征，为后续微观结构分析提供了宏观参考。

图 2：冲击回收 CrCoNi 中熵合金的变形微观结构。（A）为冲击表面（前表面）的衍射衬度扫描透射电子显微镜（STEM）图像，清晰呈现了由冲击变形产生的高密度 {111} 面缺陷网络，这些缺陷多呈平面状且相互交叉，形成三维结构；（B）-（E）为高分辨率 STEM 图像，分别展示了缺陷的原子尺度细节：（B）为 Shockley 不全位错结合形成的堆垛层错（SF），（C）为不同 {111} 面上领先 Shockley 不全位错交叉形成的不可动 Lomer-Cottrell 锁，（D）为 Shockley 不全位错在连续交替 {111} 面上扩展形成的纳米孪晶，（E）为相同过程形成的六方密堆积（hcp）纳米片层，该组图系统揭示了冲击压缩阶段合金的主要变形机制，证实了平面缺陷的多样性与高密度特征。

图 3：MD 模拟预测的 CrCoNi 中熵合金冲击加载后微观结构。（A）为压缩阶段（t=20ps）冲击波加载后的微观结构，绿色代表 fcc 原子、红色为 hcp 原子、蓝色为孪晶界原子、灰色为非晶原子，可见高密度冲击诱导缺陷；（B）为不同阶段（t=20ps 压缩、t=52.5ps 空穴形核、t=65ps 聚合）的纵向应力分布曲线，能观察到凝聚态物质冲击压缩典型的弹性波与塑性波；（C）展示了三维平面缺陷网络，仅显示非 fcc 原子，包含多 {111} 面堆垛层错、hcp 片层、变形孪晶段及不可动 Lomer-Cottrell 锁；（D）标注了多堆垛层错交叉处频繁出现的初始非晶区域；（E）为拉伸阶段（t=52.5ps）保留大量平面缺陷与非晶区域的结构；（F）显示空穴在非晶区、高缺陷密度区及最大拉伸应力区（B 中蓝色曲线）形核；（G）为剪切应变场，体现平面缺陷相互作用产生的高剪切应变对非晶化与空穴形核的诱导；（H）为空穴生长聚合的最终状态及对应的应力下降（B 中绿色曲线），该组图从原子尺度动态还原了冲击加载全过程的微观结构演变，佐证了实验观察到的缺陷形成与空穴行为机制。

图 4：层裂面附近空穴的空间分布。（A）为逆极图，展示了位于晶界三重 junction 附近的单个空穴；（B）呈现了相邻晶粒中的一对空穴，左侧空穴位于晶粒内部，右侧空穴夹在孪晶界（TB）之间；（C）（D）为几何必需位错（GND）分布图，清晰显示空穴附近的 GND 密度显著更高，表明塑性在空穴周围高度局域化；（E）为主图及插图（大尺度电子背散射衍射（EBSD）图），主图展示了空穴主要在晶界处聚合的现象，插图则显示层裂面（深色断裂面）周围存在大量空穴，且晶粒内部有大量滑移痕迹，同时通过统计分析发现晶界附近空穴（黄色）尺寸通常大于晶粒内部空穴（蓝色），更易发生聚合（尺寸超 20μm），该图揭示了空穴在层裂区域的分布规律及与微观结构（晶界、孪晶界）的关联。

四、主要结论

本研究通过激光驱动冲击实验、多尺度微观结构表征与分子动力学模拟，系统研究了 CrCoNi 中熵合金在极端冲击加载下的变形与失效机制，得出以下主要结论：在约10^7/s应变率的冲击压缩阶段，CrCoNi 中熵合金因超低堆垛层错能，产生堆垛层错、纳米孪晶、hcp 纳米片层等大量平面缺陷，形成三维缺陷网络，同时伴随变形诱导的 fcc-hcp 相变，该缺陷网络显著提升材料加工硬化率（激光冲击后硬度较原始材料提高 30%）；在冲击释放（拉伸）阶段，合金通过空穴形核、生长与聚合失效，空穴优先在晶界（“薄弱点”）及高缺陷密度区域形核，且前期压缩形成的平面缺陷会限制空穴生长方向（使空穴呈各向异性生长）、延迟空穴聚合；冲击过程中的绝热加热导致空穴附近局部温度升高，引发纳米再结晶，形成细小纳米晶粒，同时高缺陷密度区域还会发生固态非晶化，非晶区虽可能成为空穴形核位点，但整体上缺陷网络与再结晶、非晶化共同作用，使合金展现出约 9.8GPa 的高层裂强度；综合来看，CrCoNi 基中熵合金具有优异的抗冲击性与损伤容限，是极端工况下结构应用的理想候选材料，且其变形与失效机制对低堆垛层错能面心立方金属与合金具有一定普适性。

五、期刊信息

期刊名：Science Advances

DOI 号：10.1126/sciadv.adf8602

文章题目：Deformation and failure of the CrCoNi medium-entropy alloy subjected to extreme shock loading

金属材料说

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟