研究背景：

1、单相体心立方（bcc）耐火中熵或高熵合金在高温下可以保持抗压强度，但拉伸延展性和断裂韧性极低。

2、金属结构材料倾向于在强度和韧性之间进行权衡。这个问题在用于极端环境的材料中最为明显，特别是在高温下。在过去的半个世纪里，迫切需要通过提高燃油效率来减少碳排放，这推动了旨在超越高温合金高温性能的材料的发展，如含硅耐火材料和TiAl。

3、由高浓度的IV族、V族和VI族元素组成的单相bcc耐火高熵或中熵合金(RHEAs或RMEAs)已被确定为具有吸引力的高温材料。但RHEAs有很大的强度-韧性权衡。

4、然而，对于HfNbTaTiZr合金高达211MPa⋅m1/2的高室温韧性，目前还没有明确的认识。这种材料的拉伸试验只增加了进一步的神秘感，因为合金表现出低的均匀拉伸延展性(~4%)和明显的应变硬化，这与面心立方(fcc)高熵合金不同，表明韧性应该很低。对室温变形结构的分析表明，尽管整体塑性流动是由螺旋型位错的惰性运动控制的，但局部延性仍然可以通过边缘位错的集体阵列来调节，这些位错形成一对倾斜边界，称为扭结带。在多晶材料中，扭结带在位错密度高的区域成核，并在晶粒间传播，以放松相关的应力集中。它们在含有高浓度IV族元素以及纯V族bcc元素的RHEAs中形成，应该对韧性有害，因为这种张力机制通过抑制均匀延性来促进塑性不稳定，因此与断裂的发生有关。

研究思路：

证明在特殊设计的合金中，扭结带可以作为1种非常有效的内在增韧机制引起显著的响应，而不一定会抑制高温强度。具体而言，通过单轴拉伸试验和基于非线性弹性j积分的断裂韧性试验，研究了非等原子Nb45Ta25Ti15Hf15 RMEA在77 ~ 1 473 K范围内的力学性能。该材料是通过将IV族元素(Ti和Hf)与V族元素(Nb和Ta)合金化来设计的，以(i)使材料具有延展性，(ii)产生晶格畸变以允许高温强度保持，最值得注意的是，(iii)优先考虑含有Zr和较高IV族元素浓度的RHEAs缺乏的高温bcc热力学稳定性。

主要结论：

1、检测了bcc耐火合金NbTaTiHf在77至1 473开氏温度范围内的强度和断裂韧性。该合金的行为与对比系统的行为不同，其断裂韧性超过253 MPa·m1/2，可以将其归因于螺旋位错和边缘位错之间在控制裂纹尖端塑性方面的动态竞争。尽管螺旋位错和混合位错的滑移和相交促进了控制均匀变形的应变硬化，但具有{110}和{112}滑移面的<111>边缘位错的协调滑移通过形成扭折带延长了不均匀应变。这些扭折带通过沿着更高分辨率剪切应力的方向重新定向晶体的微尺度带来抑制应变硬化，并连续成核以适应局部应变并将损伤分布远离裂纹尖端。

2、该工作表明，与传统的理解相反，复杂的浓缩耐火合金可以在极端温度范围内，甚至在低温状态下具有优异的断裂韧性。虽然需要进一步发展以提高NbTaTiHf合金的强度和晶界凝聚力，但其卓越的损伤容忍度为这些耐火合金在安全关键应用中的使用打开了大门。为了将本研究结果与当前的商用合金进行比较，将其断裂韧性和强度与Nb45Ta25Ti15Hf15进行了比较，突出了Nb45Ta25Ti15Hf15所表现出的高温强度和极高韧性的卓越结合。

3、从第一性原理理解扭结带的形成对于发现具有高温强度的更耐损伤RHEAs至关重要。我们提出的分析是1个起点，具有与位错迁移率、多滑移系统激活和扭结带形成有关的一般指导方针。

文章信息：

1、David H. Cook ， Punit Kumar ， Madelyn I. Payne , Calvin H. Belcher , Pedro Borges , Wenqing Wang , Flynn Walsh , Zehao Li , Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta , Andrew M. Minor， Enrique J. Lavernia , Diran Apelian, Robert O. Ritchie. Kink bands promote exceptional fracture resistance in a NbTaTiHf refractory medium-entropy alloy[J]. Science ( IF 56.9 ) Pub Date : 2024-04-12 , DOI: 10.1126/science.adn2428.

2、作者团队来自加州大学伯克利分校材料科学与工程系、美国加州大学材料科学与工程系、西北太平洋国家实验室物理与计算科学理事会、美国加州大学戴维斯分校材料科学与工程系、美国德州农工大学机械工程系、材料科学与工程系和美国劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂国家电子显微镜中心。