Chemical short-range order controls deformation pathways in a complex concentrated alloy
本研究表明，在 Co30Cr40Ni30 高熵合金中，化学短程有序（CSRO）作为一种热力学状态变量，其富集过程增加了层错能并抑制了变形诱发的马氏体相变，从而为控制变形路径提供了一个新的自由度。
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想象一下，金属的世界就像一个巨大而繁忙的舞池。在完美的晶体中，每个原子都像舞者一样，与邻居手拉手，在一种完美的随机且混沌的队列中，作为一个整体同步移动。但有时，这些舞者会开始偏好特定的舞伴。也许钴（Cobalt）舞者非常喜欢与铬（Chromium）手拉手，或者镍（Nickel）舞者更喜欢聚在一起。当这些偏好创造出微小的、局部的“好朋友”集群，并在热度消退前短暂聚集时，科学家称之为化学短程有序（CSRO）。这就像是一种只发生在紧邻邻居之间的秘密握手，而不是全场通用的硬性规则。
现在，想象你用力推挤这个舞池。舞者们必须互相滑动以避免碰撞。这种滑动被称为变形（deformation）。在某些金属中，这种滑动是平滑的；而在另一些金属中，这则是一场挣扎。一个关键因素是层错能（SFE）。你可以把 SFE 想象成舞者层与层之间的“胶水”或“摩擦力”。如果胶水很弱（低 SFE），层与层之间可以轻易滑动并重新排列成完全不同的阵型（相变），这能让金属变得极其强韧。如果胶水很强（高 SFE），层与层之间就只会平滑地滑动，而不会改变其阵型。科学家们长期以来一直想知道，这种秘密的“好朋友”握手（CSRO）是否会改变胶水？它会让金属更容易还是更难滑动？这是一个重大问题，因为如果我们能控制这一点，我们就能设计出用于飞机制造或医疗植入物等领域的超强、超韧材料。
在这项研究中，一个研究小组决定通过玩一场“找不同”的游戏来解决这场争论，实验对象是一种由钴、铬、镍组成的特殊合金。他们取了两批这种合金，并给予了不同的处理方式。其中一批经过加热后迅速冷却（淬火），这打乱了舞者们的阵型，让他们没时间进行秘密握手。另一批则经过加热并在特定温度下保持了很长时间（时效处理），给了舞者们充足的时间去寻找心仪的伙伴并形成那些局部的化学集群。至关重要的是，他们确保两批材料具有完全相同的晶粒尺寸和形状，因此唯一的区别在于那看不见的原子“握手”。
当他们拉伸这些金属样品进行强度测试时，令人惊讶的事情发生了。乍看之下，这两种金属几乎一模一样。它们在拉伸和断裂时表现出的力量几乎相同，并且在温度降至 173 K（约 -100°C）的寒冷环境下也会变得更强。对于一名普通的观察者来说，这些秘密握手似乎根本无关紧要。然而，当研究人员使用强大的 X 射线和电子显微镜——就像使用超级放大镜一样——进行近距离观察时，他们发现了一个隐藏的故事。
没有握手的金属（淬火态）在被拉伸时开始发生转变。它们的原子结构从面心立方（fcc）结构重新排列成了六方最密堆积（hcp）结构。这种转变就像舞者们在跳舞中途突然从方阵切换到了六角阵型。这种被称为 TRIP 效应的转变通常有助于金属吸收大量能量而不破裂。然而，带有握手的金属（时效态）却拒绝进行这种切换。尽管它正承受着同样的拉力，也处于同样寒冷的温度下，但那些秘密握手锁住了原子，使它们保持在原始阵型中。由于局部有序的存在，层与层之间的“胶水”变得更强了，这使得原子很难重新排列成新的六角形状。
研究人员利用计算机模拟来找出原因。他们发现，这些局部的化学握手起到了“热力学刹车”的作用。它们提高了打破层间结构并重新排列所需的能量壁垒。简单来说，CSRO 增强了“胶水”（层错能）的强度，无论是在层开始滑动时，还是在完全分离时。这种额外的强度稳定了原始结构，有效地抑制了通常会在这些合金中发生的转变。
那么，他们发现了什么？他们证明了化学短程有序是一个强大且隐形的杠杆。它不一定会改变金属在标准测试中表现出的强度感，但它从根本上改变了金属的变形方式。通过控制这些原子的化学握手，科学家可以决定金属是会通过改变结构来吸收能量，还是保持刚性。这表明，我们不仅仅可以通过改变“配方”（成分）来制造更好的金属，还可以通过改变原子的“社交动态”来控制它们的行为。这是一种调节复杂合金性质的新方法，为工程师设计比以往任何时候都更坚韧、更具韧性的材料提供了全新的工具。
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