近年來，物理冶金研究的新熱點聚焦在“高熵（或中熵）合金”（high-entropy alloys and medium-entropy alloys，以下簡稱HEA）。湧現出的新科學問題之一，是HEA與化學無序的傳統合金的結構不同：HEA是由等原子比或近等原子比的多種主合金元素組成的固溶體，不同或相同原子彼此必然頻繁相遇。其間的化學相互作用，使原子相互之間傾向於吸引或排斥，即元素原子間有偏好地選擇回避或聚集。其導致的不同程度的局部化學有序中，化學短程有序（chemical short-range order，CSRO）可以說是最難破解的。這是因為，CSRO的尺度非常小，一般在亞納米尺度，即原子第一近鄰和次近鄰原子層內。迄今為止，HEA中有很多CSRO的確鑿證據一直沒有找到。也不清楚CSRO中元素分佈特徵和原子堆垛構型。近日，金屬材料强度國家重點實驗室馬恩教授、中科院力學研究所武曉雷研究員和清華大學電鏡中心朱靜院士等人通過設計系統且細緻的實驗和計算類比，首次給出了中熵合金存在CSRO以及CSRO與位錯交互作用的直接觀察證據。相關論文以題為“Direct observation of chemical short-range order in a medium-entropy alloy”於2021年4月28日發表在Nature上。研究者們利用配備了能量過濾系統的雙像差矯正透射電子顯微鏡，找到合適的晶帶軸，綜合運用選區和微區電子繞射、高角環形暗場（HAADF）高分辨成像及其傅氏變換（FFT）和反傅氏變換（IFFT）、能量過濾暗場成像、以及原子尺度的化學元素面分佈（EDS-Mapping）測試等手段，在中熵VCoNi合金中清晰地看到了CSRO，獲得了CSRO的電子繞射暈圓證據、及其尺寸、組成元素占位和三維構型的資訊。化學元素分佈測試表明在相鄰{113}面上和在（111）面上的相鄰原子柱間，都具有富V/富（Co/Ni）/富V這樣交替的元素分佈和占位特徵。作者們設計了空間分佈關聯係數來分析在不同距離時元素間傾向於聚集（相關係數為正）還是互斥（負），並通過計算類比，證明V-V規避和V-Co/Ni近鄰可降低能量，是CSRO形成的驅動力。此外，應變圖譜證實了拉伸變形過程中CSRO與位錯發生的交互作用，提示CSRO對强化、應變硬化和塑性行為等力學性能都將起到重要的作用。
圖1中熵VCoNi合金化學短程有序的選區、微區繞射、能量過濾暗場像，高角環形暗場高分辨成像及其傅氏變換和反傅氏變換以及尺寸分佈。
圖2化學短程有序的元素分佈與占位以及空間分佈關聯係數和蒙特卡洛計算類比。
圖3化學短程有序與位錯的交互作用以及拉伸變形前後短程有序區域應變演化。
此工作首次直接實驗證實了中熵合金化學短程有序及其與位錯的交互作用，為理解高熵合金的基本微結構特徵以及設計高性能的高熵合金提供了新的思路。
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