导读：高熵/中熵合金是一类具有强韧性组合的新型结构金属合金。5月19日Nature Communications上的一篇文章发现NiCoCr合金中，短程有序结构（SRO）可以忽略不计，或者对屈服强度和错配量没有任何重要影响；并指出SRO很难测量和控制且没有理论来预测SRO引起的强化。
而5月20日Nature正刊上的一篇文章，通过实验在NiCoCr合金中直接观察到了短程有序结构，这种独特的结构可以起到很好的强化效果，提高合金的层错能和硬度；可以通过调整热力工艺参数来改变纳米级的局部有序度，从而为调节中熵合金和高熵合金的机械性能提供新途径。
高熵/中熵合金（HEA/MEA）是一类新型的结构金属合金，具有诸如高强度、高断裂韧性等性能组合。MEA面心立方（fcc）NiCoCr在等成分fcc合金的Cr-Mn-Fe-Co-Ni系列中屈服强度最高，并且在低温下具有良好的断裂韧性。NiCoCr的稳定堆垛层错能（SFE）为22±4 mJ/m2，第一原理密度泛函理论（DFT）研究显示，低温下SFE为负，仅在300 K附近才可能为正。基于DFT，已提出NiCoCr中的化学短程有序（SRO）作为SFE为正的原因，但是对于SRO是否可以忽略不计或者是否对性能有不同影响仍有争议。
瑞士联邦理工学院（洛桑）的研究人员以NiCoCr合金为对象，研究了SRO对性能的影响。发现NiCoCr合金中，SRO可以忽略不计，或存在但对屈服强度和错配量没有任何重要影响。相关论文以题为“Yield strength and misfit volumes of NiCoCr and implications for short-range-order”于5月19日发表在Nature Communications。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16083-1
本研究中Ni-Co-Cr合金通过真空电弧熔炼制备。合金锭先冷轧50%，在1100℃均匀化50h，此时材料几乎是随机的织构，晶粒尺寸约100μm；二次冷轧80%，在900℃退火15min，此时获得完全再结晶，几乎随机的织构微结构，平均晶粒尺寸为几微米。
研究使用不同的退火温度，预计会出现不同水平的SRO，进而影响屈服强度和硬度。如果能够引起SRO并影响性能，则实验数据不应遵循单一的Hall-Petch（HP）关系，但是实际数据确实仅遵循一种HP关系。NiCoCr屈服强度没有显示出SRO的任何重大影响结果。经冷轧后的合金分别在600和700℃下退火384h后，晶粒尺寸无变化，硬度也基本相同，说明这种条件下，任何SRO对机械性能均无可测量的影响。
图1 关于NiCoCr中的屈服强度与晶粒大小的平方反比的文献数据汇总（Hall-Petch缩放比例）
通过测量合金中Ni、Co和Cr的错配量对比发现，NiCoCr中每种元素周围的局部环境与无规二元合金没有明显区别，因此没有发现SRO存在的证据。该结论不排除在某些加工条件下（例如，在500℃下退火）可能形成SRO。最近的一项研究确实报告了SRO的证据和NiCoCr强度的增强约50 MPa。该研究的工艺包括在1000℃退火120h后的炉温冷却，在T<600℃的慢炉冷却过程中，这些材料中可能会产生SRO，这与文献中在此温度范围内的SRO发展完全一致，而本研究在600℃和700℃进行更长时间的退火后，硬度也没有变化。
图2 在合金周围的四个组成处测得的Ni-Co-Cr样品的组成和原子体积
图3Ni-Co和Ni-Cr二元合金的合金原子体积分别与Co和Cr组成（黑色符号）以及表观体积用于Ni，Co和Cr组成（彩色线）的关系
图4室温实验和DFT测得的各种fcc合金中Ni（绿色），Co（红色）和Cr（蓝色）的表观体积
综上所述，尽管在NiCoCr中获得SRO可能仍然具有研究兴趣，但是通过探索更广泛类别的合金元素中的新成分，可以更好地实现在各种HEA/MEA中追求高性能合金的目的。例如，最近据报道NiCoV合金的强度约为400 MPa，几乎是NiCoCr强度的两倍。NiCoV的强度可以通过无规合金溶质强化理论进行预测，而SRO很难测量和控制且没有理论来预测SRO引起的强化。
而在这篇文章发表第二天，美国加州大学的研究人员相关论文以题为“Short-range order and its impact on the CrCoNi medium-entropy alloy”发表在Nature正刊（点击查看）。研究人员使用能量过滤的透射电子显微镜，观察了CrCoNi中熵合金中短程有序结构特征，提供了化学短程有序（SRO）结果的定量可视化，研究了该SRO对MEA/HEA材料力学行为的直接影响，发现这种数量级的增加会引起更高的堆垛层错能（SFE）和硬度。研究人员直接成像了局域有序化，并展示了MEAs的变形行为如何与SRO程度直接相关。由于SRO对材料力学性能的影响，SRO是材料设计阶段必须考虑的一个重要特征，可以通过热机械加工来调整纳米级的局部有序度，从而为调节中熵合金和高熵合金的机械性能提供了新途径。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2275-z
虽然两篇文章的观点相差很大，
但或许这就是科研的魅力所在。
在探索中、争鸣中不断发展前进！
文：破风
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