香港城市大學的王循理教授、北京科技大學、日本原子力研究開發機構J-PARC中心的Stefanus Harjo研究主任和川崎卓郎研究副主任、南京理工大學及哈爾濱工程大學組成的研究團隊，利用J-PARC的中介子發現，「高熵合金」的延展性在極低溫度下強化的特性是由晶體缺陷等多種因素共同形成的。
普通金屬材料的強度會隨着溫度降低而升高，但延展性下降。而高熵合金在低溫狀態下不僅強度升高，延展性也強化，顯示出比室溫更高的延展性。其他金屬材料也有在低溫下顯示出延展性的，其終極因數都在於晶體結構的變化。不過，此前一直不清楚高熵合金的延展性強化的終極因數。
此次研究針對正在極低溫度下變形的高熵合金實施了「原位中子繞射實驗」，從原子水平上觀察發生的現象。
觀察發現，高熵合金的晶體結構沒有發生變化，這種獨特的變形是在多種變形機制的共同作用下實施的，包括差排和疊差等晶體缺陷的發生、增加、行程及局部變形等。
在純金屬中，一種原子有序地三維排列形成晶體。而在高熵合金中，5種以上的金屬原子以相同比例混合，每種原子在晶體中以什麼順序排列是隨機的。
這些資訊可用於太空開發、線性馬達和核融合超導線圈的結構部件等要求的、在低溫環境下發揮高力學特性的新結構材料的設計。
【研究背景】
通常，隨着溫度降低，構成金屬的原子會變得難以行程，因此強度升高，能承受更大的力。但另一方面，延展性會下降，發生很小的變形就會斷裂。高熵合金不同於普通金屬，會表現出特殊現象，在低溫下強度大幅升高，同時延展性也強化，因此作爲低溫環境下的新結構材料受到關注。不過，此前一直不清楚高熵合金在低溫環境、尤其是液氮溫度以下的變形機制。
已知的金屬材料變形機制包括：晶體中的原子排列無序、即晶體缺陷引起的變形；晶體取向變化引起的變形；部分不鏽鋼合金出現的晶體結構變化引起的變形；在接近液氦溫度（-269℃）的極低溫度下發生的局部變形。這些變形機制各有不同的特性，所以人們一直期待查清高熵合金在低溫下發生的特殊變形是由什麼機制引起的。
【研究程序】
調查材料變形機制的有效方法是評估材料的實際變形狀態的原位測量。不過，電子顯微鏡觀察等通常用來評估金屬細結構資訊的方法不適合對正在極低溫度下變形的金屬進行原位測量，而且電子顯微鏡的視角非常狹窄，因此有時觀察到的微觀結構資訊可能無法與宏觀機械性質保持一致。
中子繞射是評估整個毫米級力學試樣的平均結構資訊和隨着變形而發生的微細組織變化的極其有效的手段。研究團隊利用了高強度質子加速器設施「J-PARC」的物質生命科學實驗設施（以下簡稱「MLF」）中設置的工程材料繞射裝置「匠」（圖1）。「匠」是全球領先的裝置之一，可與多種測試設備配合使用，在-260℃~1000℃的大溫度範圍内邊改變材料的形狀，邊高精度評估晶體結構和微細組織的變化。此次研究利用「匠」安裝的低溫拉製伸試驗器，測量了成分爲CrMnFeCoNi（鉻、錳、鐵、鈷、鎳）的高熵合金變形程序中的中子繞射強度（圖2）。在此次研究中，北京科技大學的團隊製作了試樣，香港城市大學和日本核能研究開發機構J-PARC中心的團隊實施了中子繞射實驗。
圖1：工程材料繞射裝置「匠」安裝的極低溫度拉伸試驗器
【研究成果】
研究團隊首先利用裝置拉伸試樣，調查了施加給試樣的應力與試樣的延展率（應變）之間的關係（圖2）。
①溫度越低，試樣能承受的應力越大，同時延展性也提高。在15K（-258℃）的低溫下，可承受約2500MPa的應力，此時試樣的延展率爲62％。再進一步拉伸後，試樣斷裂。
②在-258℃下，延展率超過20％後，應力呈尖峯狀下降，這是因爲，隨着試樣中非常有限的一部分快速延展（局部變形），應力一下子得到了釋放。
圖2：高熵合金在295K、140K和15K下的應力-應變曲線。應力驟降爲0表示試樣斷裂，說明可以延展至該應變值。另外，斷裂之前的應力是在該溫度下材料能承受的最大應力。溫度越低，最大應力和最大應變越大，由此可見，強度和延展性均得到提高。在15K下應變超過20％時出現的應力尖峯狀下降表示發生局部變形，同時還出現了因應力突然得到釋放而引起的溫度擧升。
接下來，爲調查在低溫下實施高強度和高延展性的終極因數，研究團隊邊利用「匠」拉伸試樣邊實施了原位中子繞射實驗。圖3是得到的繞射圖案。
①圖3是在室溫和15K溫度下分別施加0MPa、740MPa和2460MPa應力時的中子繞射圖案。繞射圖案中出現的峰值因晶體結構而異，但所有圖案几乎都在同一位置出現峰值，由此可見試樣的晶體結構沒有發生變化。
②另一方面，在15K下施加2460MPa應力時的繞射圖案（綠色）中，各峰值的寬度擴大。這表明，試樣内部的晶體缺陷增多。
圖3：利用「匠」獲得的CrMnFeCoNi高熵合金在低溫拉製伸試驗中的中子繞射圖案
此外，詳細調查圖3的中子繞射圖案中出現的所有峰值的位置、寬度和大小，可獲得圖4的結果。
①下圖的縱軸表示111繞射峯（最右側的峰值）的大小，值越大，表示試樣内部的（111）晶面朝向拉伸方向的晶粒比例越高。改變晶粒方向需要差排行程，因此可以說，111繞射峯的大小增加的比例越大，差排行程越活躍。
②上圖的縱軸表示試樣内部存在疊差的機率，值越大，表示疊差越多。
圖4：高熵合金變形引起的（111）面繞射峯的積分強度（下圖）和疊差存在機率的變化（上圖）。在下圖中，積分強度隨應力增加而增加的比例（傾斜）越高，表示差排的發生和行程越活躍，在上圖中，值越大表示疊差越多。
結合上下圖來看，根據施加給試樣的應力，可以將-258℃下的變形程序分爲4個階段。結合圖2，可將各個階段的主要變形機制整理如下。
①從718MPa（圖5Ⓐ）開發端生差排和行程（活動），並越來越活躍。
②從1075MPa（圖5Ⓑ）左右開始，除差排活動外，還開始出現疊差。
③在圖2中可以看出來，從1270MPa（圖5Ⓒ）左右開發端生局部變形，同時疊差快速增加。
④最終，達到2000MPa（圖4Ⓓ）以上後，應力呈尖峯狀下降的寬度增大，局部變形變得明顯，但在這個階段，差排活動已經減弱。
此次研究發現，多種不同的原子級變形機制透過分階段發揮作用，使高熵合金在極低溫度狀態下實施了非常大的強度和延展性。
【未來展望】
此次研究透過中子繞射應答，成分爲CrMnFeCoNi的高熵合金在極低溫度下顯示出極高的強度和延展性，是因爲多種晶體缺陷的出現、增加、行程及其相輔作用是分階段發生的。像本次研究採用的合金這樣，同時擁有複雜的化學成分和簡單的晶體結構可能是在低溫環境下實施優異的力學特性的關鍵。今後，透過利用此次的研究成果進行材料設計，有望開發出強度和延展性更高的優異低溫材料。
論文資訊
題目：Cooperative deformation in high-entropy alloys at ultralow temperatures
期刊：《Science Advances》
DOI：10.1126/sciadv.aax4002
文：JST客觀日本編輯部
