單相體心立方（bcc）難熔中熵或高熵合金可在高溫下保持抗壓強度，但拉伸延展性和斷裂韌性極低。本文研究了一種 bcc 難熔合金 NbTaTiHf 在 77 至 1473 K溫度下的強度和斷裂韌性。這種合金的行為不同于同類系統(tǒng)，其斷裂韌性超過 253 兆帕-m1/2，我們將其歸因于螺線位錯和邊緣位錯在控制裂紋尖端塑性方面的動態(tài)競爭。螺位錯和混合位錯的滑行和交叉促進了控制均勻變形的應(yīng)變硬化，而<111>邊緣位錯與{110}和{112}滑行面的協(xié)調(diào)滑行則通過形成扭結(jié)帶延長了非均勻應(yīng)變。這些扭結(jié)帶通過沿解析剪應(yīng)力較高的方向調(diào)整晶體微尺度帶的方向來抑制應(yīng)變硬化，并不斷成核以適應(yīng)局部應(yīng)變，并將損傷分散到遠(yuǎn)離裂紋尖端的地方。

  金屬結(jié)構(gòu)材料往往需要在強度和韌性之間做出權(quán)衡。這一問題在用于極端環(huán)境，尤其是高溫環(huán)境的材料中最為明顯。在過去的半個世紀(jì)里，通過提高燃料效率來減少碳排放的迫切需求促使人們開發(fā)了一些材料，旨在超越超合金的高溫性能，如含硅耐火材料和鈦鋁。這些材料被設(shè)計為在高溫下具有高強度；然而，要使它們同時具有損傷耐受性，特別是在低溫下，其中許多材料都低于其韌性到脆性的轉(zhuǎn)變溫度，這是很困難的，而且?guī)缀跛�有這些材料都不符合安全關(guān)鍵型應(yīng)用的要求。

  由高濃度第四、第五和第六族元素組成的單相 bcc 難熔高熵或中熵合金（RHEAs 或 RMEAs）已被確定為高溫材料的一個極具吸引力的設(shè)計空間 。遺憾的是，RHEAs 在強度和韌性之間存在較大的折衷。雖然其中一些合金，特別是第五和第六族混合物，如 NbMoTaW 及其衍生物，在高達 1900 K 的溫度下具有令人印象深刻的抗壓強度，但它們在所有溫度下的斷裂韌性和拉伸延展性都極低。與此相反，第 IV 組和第 V 組混合物，尤其是 HfNbTaTiZr 合金模型，可以表現(xiàn)出很強的拉伸塑性，甚至在較高環(huán)境溫度下具有斷裂韌性。然而，這些體系不具備足夠的熱力學(xué)相穩(wěn)定性，這對其高溫機械性能不利。

   具體來說，我們通過進行單軸拉伸試驗和基于 J 積分的非線性彈性斷裂韌性試驗，研究了從 77 到 1473 K 的非碳原子 Nb45Ta25Ti15Hf15 RMEA 的機械性能。這種材料是通過將第 IV 組元素（Ti 和 Hf）與第 V 組元素（Nb 和 Ta）合金化而設(shè)計的，目的是：(i) 使材料具有延展性；(ii) 產(chǎn)生晶格畸變以保持高溫強度；最值得注意的是：(iii) 優(yōu)先考慮含有 Zr 和第 IV 組元素濃度較高的 RHEA 所缺乏的高溫 bcc 熱力學(xué)穩(wěn)定性 (28，29)。有關(guān)合金設(shè)計細(xì)節(jié)的更多信息，請參見（30）。為了使材料在化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)上均質(zhì)，我們對高純度元素鑄錠進行了多次電弧熔煉，并在室溫下進行軋制，使厚度減少約 33%，然后在 1373 K 下熱處理一小時并進行水淬。這一過程產(chǎn)生了近乎完全再結(jié)晶的單相微觀結(jié)構(gòu)，其中有平均尺寸為 270 μm 的等軸晶粒和一些較小的直徑為 ~20 μm 的部分再結(jié)晶晶粒（圖 1B 和圖 S1）。X 射線衍射（XRD）（圖 1C）證實，該材料形成了單一的 bcc 相，通過電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測得的確切成分為 43.98 原子%（%）Nb、24.21 原子% Ta、14.77 原子% Ti 和 14.75 原子% Hf。

  頂級材料力學(xué)團隊加州大學(xué)伯克利分校Robert O. Ritchie教授課題組發(fā)現(xiàn)一種NbTaTiHf難熔合金。由于扭結(jié)帶晶體旋轉(zhuǎn)適應(yīng)應(yīng)變，大大提高材料斷裂韌性。高斷裂韌性從低溫條件延伸到非常高的溫度，使得該合金在寬溫度范圍內(nèi)的應(yīng)用中具有吸引力。

圖 1. Nb45Ta25Ti15Hf15 的初始微觀結(jié)構(gòu)。

為了生產(chǎn)這種合金，對高純度元素進行電弧熔化、鍛造和冷軋，厚度減少約 33%，在 1373 K 下退火一小時，然后進行水淬。這一過程產(chǎn)生了 (B) 中的微觀結(jié)構(gòu)，即平均直徑為 270 μm 的接近完全再結(jié)晶的晶粒。(C) XRD 證實了單 bcc 相結(jié)構(gòu)。材料的間隙總含量約為 0.25% C、N 和 O。A.U.，任意單位。

圖 2. Nb45Ta25Ti15Hf15 的機械特性。

(A)開氏 77 度、298 度、1073 度、1223 度和 1473 度時作為裂紋擴展函數(shù)的 J 積分 R 曲線；(B) 在極端溫度下測量的 R 曲線近景。(298 K 時的動態(tài)應(yīng)變老化與 Lüders 帶的形成相對應(yīng)，而 77 K 時的應(yīng)力下降則與孿生相對應(yīng)，孿生伴隨著聲發(fā)射。(D) 根據(jù) R 曲線得到的 JIc 值計算出的斷裂韌性 (KJIc) 和 (E) 屈服強度 (σy)與溫度的函數(shù)關(guān)系。誤差條代表屈服強度的標(biāo)準(zhǔn)偏差；但有些誤差條比數(shù)據(jù)符號小，因此不可見。請注意，在（D）中，Nb45Ta25Ti15Hf15 合金不僅在高溫下保持強度，而且在所有溫度下都表現(xiàn)出非凡的斷裂韌性：在 77 至 1473 K 的五個溫度范圍內(nèi)，斷裂韌性分別為 86 MPa-m1/2、253 至 323 MPa-m1/2、67 MPa-m1/2、52 MPa-m1/2 和 68 至 88 MPa-m1/2。室溫斷裂韌性是已知單相 bcc 材料中最高的，甚至高于 fcc CrCoNi 基 HEA（19）。(A)、(B)和(D)中的開圓圈表示嚴(yán)格意義上無效的數(shù)值；為了清晰直觀，(B)中排除了第二次液氮測試。

圖 3. 從 77 到 1473 K Nb45Ta25Ti15Hf15 的形變機制和斷口形態(tài)。

(A 至 E) 斷裂路徑的 EBSD BC 和 IPF 圖（從左到右）。在 C(T) 樣品的中厚度處取樣，以研究最高應(yīng)力三軸性區(qū)域的機制。(G) 298 K 時裂紋正前方塑性區(qū)的扭結(jié)帶以及相關(guān)的晶粒內(nèi)錯向軸分析表明，該扭結(jié)帶從扭結(jié){112}族中的一個平面內(nèi)部扭曲到扭結(jié){110}族中的一個平面。(F）在超高溫（1473 K）下，這些機制被（H）和（I）所示的動態(tài)再結(jié)晶所取代，動態(tài)再結(jié)晶破壞了原始晶界，抑制了促進晶間斷裂的機制。(J至M）斷裂表面顯示了開氏77度（J）時的劈裂和韌性微泡凝聚的混合物，開氏298度（K）時的微泡凝聚，以及開氏1073度和1223度時的晶間斷裂和微泡凝聚的混合物[（L）和（M）]。在 1473 K（N）時，斷裂面被氧化破壞。

圖 4. 扭結(jié)帶和晶格位錯。

用 TEM 對在 298 K 下測試的 C(T) 樣品的兩個區(qū)域進行了研究：區(qū)域 I 與 (A) 和 (B) 相對應(yīng)，來自靠近裂紋尖端的扭結(jié)帶邊界，那里的塑性應(yīng)變較高；區(qū)域 II 與插圖 (C 至 H) 相對應(yīng)，顯示了裂紋后基體中存在的位錯，那里的塑性應(yīng)變較低。(A) 聚焦離子束抬出樣品的高角度環(huán)形暗場（HAADF）概覽圖像。(B) 4D-STEM 數(shù)據(jù)集的旋轉(zhuǎn)圖。(插圖）顯示晶格旋轉(zhuǎn)的所有像素的總衍射圖樣。(C)和(F)] HAADF 對螺釘位錯、邊緣位錯和混合位錯的概述。(D)和(G)] 位錯示意圖，按各自的布爾格斯矢量著色：紅線、 藍線、 圖中注釋了布爾格斯矢量方向。[(E)和(H)] 相同位錯的示意圖，按其特性著色。

圖 5. Nb45Ta25Ti15Hf15 RHEA 與其他結(jié)構(gòu)材料的對比。

(A)Nb45Ta25Ti15Hf15 以及其他高熵合金和商用材料（4、9、10、34、48、57-59）的室溫斷裂韌性與屈服強度的 "香蕉圖"。這種 RHEA 在很寬的溫度范圍內(nèi)（60-63），強度和韌性都非常平衡。(B)屈服強度與溫度關(guān)系圖顯示，Nb45Ta25Ti15Hf15 在中溫以上的性能優(yōu)于大多數(shù)商業(yè)級高溫材料；(C)顯示，盡管其室溫拉伸屈服強度相對較低，但在 1473 K 時仍能保持優(yōu)異的拉伸強度，甚至超過了 1400 K 以上的鎳基超合金 CMSX-4。

我們的研究表明，與傳統(tǒng)認(rèn)識相反，復(fù)雜成分耐熱合金在極端溫度范圍內(nèi)，甚至在低溫條件下，都能具有優(yōu)異的斷裂韌性。雖然還需要進一步開發(fā)以提高鈮鉭鈦鉿合金的強度和晶界內(nèi)聚力，但其優(yōu)異的損傷耐受性為這些耐火合金在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中的應(yīng)用打開了一扇大門。為了將我們的研究結(jié)果與實際情況相結(jié)合，我們將其斷裂韌性和強度與當(dāng)前的商用合金進行了比較（圖 5），從而突出了 Nb45Ta25Ti15Hf15 所表現(xiàn)出的高溫強度和極高韌性的優(yōu)異組合。從第一原理上理解扭結(jié)帶的形成對于發(fā)現(xiàn)具有更高的高溫強度、更耐損傷的 RHEAs 至關(guān)重要。我們提出的分析是一個起點，具有與位錯移動性、多重滑移系統(tǒng)的激活和扭結(jié)帶的形成有關(guān)的一般準(zhǔn)則。