位錯(cuò)-孿晶相互作用在調(diào)節(jié)材料塑性變形中起著重要作用，如提高材料的加工硬化速率。但孿晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用相對(duì)較弱，只有當(dāng)孿晶界密度很高時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生明顯的孿晶誘導(dǎo)強(qiáng)化效應(yīng)。然而，孿晶數(shù)量通常存在飽和值，在大塊金屬材料中難以引入高密度的納米孿晶。

研究人員試圖將合金原子放置在孿晶界上以獲得更好的強(qiáng)化效果，但又受限于取代元素的原子尺寸與晶格參數(shù)的匹配性。與取代原子相比，間隙原子可以產(chǎn)生更大的晶格畸變和更有效的強(qiáng)化效應(yīng)。然而隨著間隙原子濃度的增加，會(huì)形成脆性陶瓷相，因此傳統(tǒng)合金中間隙原子的濃度通常很有限。近期有人提出，多主元素合金(MPEAs)中固有的嚴(yán)重晶格畸變可能為間隙原子提供了更好的容納位點(diǎn)。同時(shí)，由于原子尺寸的差異，晶格中間隙位的不對(duì)稱(chēng)性降低了形成有序陶瓷相的可能性。

針對(duì)此浙江大學(xué)電鏡中心余倩教授等人利用安徽澤攸科技有限公司生產(chǎn)的原位單傾拉伸樣品桿結(jié)合iDPC-STEM成像和EDS表征對(duì)含有6 at% (原子百分比)氧原子的NiCoCrO中熵合金(MEA)進(jìn)行了位錯(cuò)-孿晶界相互作用的影響研究。中熵合金中晶格畸變的擴(kuò)散使其具有較大的氧間隙固溶度。氧原子占據(jù)了四面體和八面體的間隙位，并傾向于在孿晶界和層錯(cuò)等缺陷處富集。在塑性變形過(guò)程中，孿晶界附近的富氧區(qū)阻礙了位錯(cuò)直接傳遞或交叉滑移到另一個(gè)孿晶面，造成了明顯的位錯(cuò)糾纏、位錯(cuò)部分解離和滑移方向的偏離。該研究成果揭示了與孿晶界和間隙原子協(xié)同效應(yīng)相關(guān)的強(qiáng)化機(jī)制。本文章以“Dislocation-twin interaction in medium entropy alloy containing a high density of oxygen interstitials”為題發(fā)表在Journal of Alloys and Compounds上，通訊作者為浙江大學(xué)余倩教授。浙江大學(xué)宋雅婧博士為作者。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169522

文章研究的主要內(nèi)容：

1：結(jié)構(gòu)表征：

圖1：NiCoCrO合金中孿晶表征

圖1為NiCoCrO合金中孿晶結(jié)構(gòu)（FCC型）的電鏡圖像，iDPC表明了氧原子占據(jù)了四面體和八面體的間隙位，并且孿晶界附近存在富氧區(qū)域。

2：原位應(yīng)變實(shí)驗(yàn)：

圖2：NiCoCrO合金與TWIP HEA的原位TEM拉伸實(shí)驗(yàn)1

為了揭示氧間隙對(duì)孿晶界強(qiáng)化的影響，我們進(jìn)行了原位TEM拉伸應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，并比較了富氧NiCoCrO合金和沒(méi)有大量間隙氧原子的孿生誘導(dǎo)塑性（TWIP）高熵合金（HEAs）的動(dòng)態(tài)位錯(cuò)-孿晶界相互作用，包括完全位錯(cuò)和部分位錯(cuò)。

拉伸應(yīng)變下，圖2a所示，在TWIP HEA中進(jìn)出位錯(cuò)滑移軌跡在孿晶界上呈鏡像對(duì)稱(chēng)；圖2b所示，在NiCoCrO合金中，當(dāng)位錯(cuò)遇到孿晶界時(shí)，其運(yùn)動(dòng)受到強(qiáng)烈阻礙，沿孿晶界出現(xiàn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的釘扎點(diǎn)和嚴(yán)重的位錯(cuò)纏結(jié)，并且在間隙原子的作用下位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到更嚴(yán)重的釘扎效應(yīng)。

圖3：NiCoCrO合金與TWIP HEA的原位TEM拉伸實(shí)驗(yàn)2

拉伸應(yīng)變下，如圖3a所示，NiCoCrO合金中沿孿晶邊界的某些位置也固定了部分位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，影響了層錯(cuò)的形貌變化。如圖3b所示，當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)的尾部被固定在孿晶界處時(shí)，也可能發(fā)生d3 +d4→d5 +d6的位錯(cuò)反應(yīng)。相比之下，TWIP HEA的部分位錯(cuò)活動(dòng)在遇到孿晶界時(shí)更為規(guī)則，兩側(cè)部分位錯(cuò)的滑移軌跡在孿晶邊界周?chē)菍?duì)稱(chēng)的。

3：機(jī)理分析：

圖4：NiCoCrO合金位錯(cuò)-孿晶界相互作用的內(nèi)在機(jī)制

NiCoCrO合金中的位錯(cuò)-孿晶相互作用與沒(méi)有大量間隙原子的TWIP和NiCoCr HEAs中的相互作用不同。NiCoCrO合金中孿晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的釘扎作用更為顯著，且孿晶界處的位錯(cuò)反應(yīng)更為復(fù)雜。推測(cè)孿晶界上有更多的原子尺度的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙可能與加入氧間隙有關(guān)。圖4a-d證實(shí)了氧間隙富集于孿晶界和層錯(cuò)等缺陷處。

圖4e揭示了NiCoCrO合金塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)-孿晶相互作用的機(jī)理。在NiCoCrO合金中，氧間隙原子的不均勻分布阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，增加了孿晶界位錯(cuò)反應(yīng)的能壘。在初級(jí)塑性變形階段，位錯(cuò)主要固定在孿晶邊界附近的某些點(diǎn)上；隨著外加應(yīng)變的增大，發(fā)生了嚴(yán)重的位錯(cuò)堆積、位錯(cuò)纏結(jié)和局部解離，導(dǎo)致位錯(cuò)滑移方向的偏離和滑移體系的改變。

綜上所述，在含有高濃度氧間隙的多主元素合金中，由于氧原子的不均勻分布改變了孿晶界結(jié)構(gòu)，調(diào)整了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能壘，位錯(cuò)-孿晶界產(chǎn)生不同的相互作用。通過(guò)原位TEM應(yīng)變測(cè)試、原子分辨率EDS成像和先進(jìn)的iDPC-STEM表征發(fā)現(xiàn)，NiCoCrO合金的氧原子同時(shí)占據(jù)了八面體和四面體的間隙位，并特別傾向于在孿晶和層錯(cuò)等缺陷處富集。因此，可能會(huì)發(fā)生更強(qiáng)的位錯(cuò)相互作用和復(fù)雜的位錯(cuò)反應(yīng)，從而導(dǎo)致更顯著的孿晶界強(qiáng)化效應(yīng)。

安徽澤攸科技有限公司作為中國(guó)本土的精密儀器公司，是原位電子顯微鏡表征解決方案的供應(yīng)商，推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案，陸續(xù)為國(guó)內(nèi)外用戶(hù)的重磅研究成果提供了技術(shù)支持。下圖為本研究成果中用到的原位透射電鏡樣品桿的渲染圖：