一类在飞机涡轮机、核反应堆和太空探索设备中具有潜在应用的新型金属材料可以承受极端温度并抵抗断裂，但科学家们直到现在才明白为什么。根据宾夕法尼亚州立大学研究人员共同领导的一项新研究，答案可能与材料的短程顺序或材料内原子的局部排列有关。研究人员说，这些知识可以进一步提高这些材料的机械性能和损伤容限，进而导致下一代运输或发电厂工程系统的安全性和可靠性的进步。
他们的研究结果发布在《自然通讯》上。
该团队开发了一种新的成像方法来研究金属材料的局部原子排列，称为高熵和中熵合金，并将研究重点放在铬钴镍MEA及其对机械性能的影响上。
“CrCoNi的机械性能令人惊叹，”共同通讯作者，宾夕法尼亚州立大学工程科学，力学和核工程助理教授Yang Yang说，他也隶属于材料研究所。“例如，它最近被证明在近-423华氏度下具有地球上最高的韧性。但人们不知道为什么它这么好。
杨说，一些科学家假设短程秩序是造成这种情况的原因。
“但是，由于短程阶次在材料中是如此小和微妙，因此观察或测量它以提供实验证据非常具有挑战性，”共同通讯作者，加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室材料科学与工程教授Andrew M. Minor说。
铬钴镍有三种成分：铬、钴和镍。杨说，每种元素在合金中都有相同的原子分数，早期的研究假设这三种原子中的每一种都是随机分布在系统中的。然而，杨说，最近的研究表明，这种材料实际上显示出短程秩序。
“让我们想象一下，有一个来自宾夕法尼亚州立大学、俄亥俄州立大学和北卡罗来纳州的人参加的聚会，”杨说。“而且，理想情况下，你会期望每个人都能无缝地融合在一起，在整个房间里创造一个统一的个人组合。然而，在实践中，情况并非总是如此。通常，来自同一所大学的人往往会被共同的经历所吸引。这是一种短期阶数，偏离了预期的随机分布。
为了研究短程有序在CrCoNi中的作用，该团队设计了一个使用能量滤波4D扫描透射电子显微镜系统的实验。在4D-STEM实验中，纳米级电子束扫描样品，为每个点生成纳米束电子衍射图。根据Minor的说法，他们每秒能够捕获数百张电子衍射图像，使他们能够以大视场和高分辨率分析应力下材料缺陷的演变。
“缺陷是在机械变形过程中形成的，我们实际上发现缺陷的形成存在转变，”Minor说，并指出他们特别关注平面缺陷，或原子平面堆叠序列中的“错误”。“我们发现平面缺陷在初始周期中是完全可逆的。如果我们使它变形，然后释放力，它就会完全恢复。然而，经过大约一千次机械变形循环后，这种可逆性消失了。在这一点上，在我们释放负载后，缺陷往往会留在那里。我们认为，这种转变实际上是由这个系统中的短程秩序所支配的。
杨说，这是因为在开始时，系统有很多短程有序，这使得可逆过程有利。然而，变形逐渐破坏了这种小的有序性，并将变形机制调整到另一个有利于平面缺陷形成的机制。
“短程订单就像一个调节器，”杨说。“它的局部密度或程度控制着哪种机制在起作用，哪种机制不起作用。不同变形机制的协同作用对于该材料类别的高损伤容限至关重要。
通过成功地提供了一种可视化CrCoNi中平面缺陷演变的技术，并整合了先进的原子建模，研究人员能够揭示短程有序和平面缺陷之间的相互作用，从而可以提高这些合金的力学性能。
